1.3.9. Выбор закона управления и расчет настроек автоматического регулятора и мехатронного устройства.

Тип переходного процесса	Тип переходного процесса	Тип переходного процесса	Тип переходного процесса
апериодический	апериодический	апериодический	апериодический
И	И	И	И
П	П	П	П
ПИ	ПИ	ПИ	ПИ
ПИД	ПИД	ПИД	ПИД

Расчет настроек автоматического регулятора и мехатронного устройства выполняется в следующем порядке. - все запрашиваемые данные для анализа системы с П-регулятором. После этого компьютер рассчитывает значения К_Р** и ΔY_СТ**, характеризующие состояние системы на границе устойчивости - выполните расчет переходного процесса при 2-м варианте выбранной настройки регулятора для рабочей точки РТ2. -исследование работы системы с ПИ-регулятором - методика остается прежней Исследование начинается с расчета и построения параметрической области устойчивости для системы с ПИ-регулятором. С помощью полученного графика выбираются два варианта настроек регулятора (рабочие точки РТ3 и РТ4), которые будут использованы при анализе работы системы. После этого выполняются два варианта расчетов переходного процесса в системе, и фиксируются все полученные результаты. Исследование работы системы с ПИД-регулятором - методика анализа работы системы с ПИД-регулятором аналогична описанной По результатам расчета параметрической области устойчивости выбираются три варианта настроек регулятора (рабочие точки РТ5, РТ6, и РТ7), предназначенные для анализа работы системы.

1.3.10. Определение динамических параметров объекта по кривой разгона.

При определении динамических характеристик объекта по его кривой разгона на вход подается или ступенчатый пробный сигнал или прямоугольный импульс. Во втором случае кривая отклика должна быть достроена до соответствующей кривой разгона. При снятии кривой разгона необходимо выполнить ряд условий: 1. Если проектируется система стабилизации, то кривая разгона должна сниматься в окрестности рабочей точки процесса. 2. Кривые разгона необходимо снимать как при положительных, так и отрицательных скачках управляющего сигнала. По виду кривых можно судить о степени асимметрии объекта. При небольшой асимметрии расчет настроек регулятора рекомендуется вести по усредненным значениям параметров передаточ ных функций. Линейная асимметрия наиболее часто проявляется в тепловых объектах управления. 3. При наличии зашумленного выхода желательно снимать несколько кривых разгона с их последующим наложением друг на друга и получением усредненной кривой.  4. При снятии кривой разгона необходимо выбирать наиболее стабильные режимы процесса, например, ночные смены, когда действие внешних случайных возмущений маловероятно. 5. При снятии кривой разгона амплитуда пробного входного сигнала должна быть, с одной стороны, достаточно большой, чтобы четко выделялась кривая разгона на фоне шумов, а, с другой стороны, она должна быть достаточно малой, чтобы не нарушать нормального хода технологического процесса. Сняв кривую разгона, и оценив характер объекта управления (с самовыравниванием или без) можно определить параметры соответствующей передаточной функции. Передаточную функцию вида рекомендуется применять для объектов управления с явно выраженной доминирующей постоянной времени (одноемкостный объект). Перед началом обработки кривую разгона рекомендуется пронормировать (диапазон изменения нормированной кривой) и выделить из ее начального участка величину чистого временного запаздывания.

Лабораторная работа № 19 Подключение приборов для контроля параметров объекта.

Цель работы: Произвести подключение приборов для контроля параметров объекта.

Ход работы: Теоретические сведения.

ПКО предназначен подключение приборов для контроля параметров объекта. ПКО является универсальным прибором и может использоваться с любым оборудованием связи. Данные с приборов контроля, установленных на объектах, передаются в центре  технического обслуживания, где обобщаются, анализируются и отображаются на АРМ технического обслуживания.

Контролируемые параметры:

состояние магистральных кабелей связи;

состояние линий перегонной и межстанционной связи;

исправность и качество электропитания объекта;

состояние датчиков охранно-пожарной сигнализации.

Технические характеристики

ПКО обеспечивает:

Контроль состояния магистральных кабелей связи.

Для оценки состояния магистральных кабелей ПКО периодически измеряет сопротивление изоляции выделенных в них контрольных пар и следит за

расходом осушенной газовой смеси системой поддержания избыточного давления в кабелях. К ПКО может быть подключено до 10 контрольных пар. Расход смеси оценивается по частоте включения компрессора подкачки. Для слежения за компрессорной установкой ПКО снабжен датчиком напряжения, подключенным к контактам реле управления двигателем. Кроме того, к ПКО подключены контакты аварийного датчика давления установки и при срабатывании датчика передается соответствующее аварийное сообщение. Значения измеренных сопротивлений изоляции и количество включений компрессора за контрольный интервал передаются в АРМ ТО.

Контроль состояния линий ПГС и МЖС.

ПКО двух соседних станций подключаются к линии и проверяют её целостность передачей из конца в конец тонального сигналаизображенный на рис.1.67. Контроль производится периодически без разрыва проверяемых линий и для ПГС в момент, когда линия не занята (анализируется величина линейного напряжения). Отсутствие линейного напряжения или длительность занятия свыше установленного порога воспринимается как авария ПГС.  ПКО может быть подключено 6 линий ПГС и МЖС.

Непрерывное измерение параметров электропитания:

- фазных напряжений питающих фидеров (до 6 напряжений при двух фидерах);

- напряжения вспомогательных источников (например, 24 В).

ПКО фиксирует отклонение напряжений за пределы нормы качества, в том числе кратковременные скачки. Информация об отклонениях (время выхода за пределы, время возвращения в норму и максимальная величина отклонения) выдается в АРМ ТО.

Контроль состояния внешних датчиков:

- пожарной сигнализации – сухой контакт;

- охранной сигнализации – сухой контакт;

- пропадание напряжения на фидере 1 – сухой контакт;

- пропадание напряжения на фидере 2 – сухой контакт;

- аварийные сигналы электропитающей установки АТС – до 7 контактов.

Сообщения об изменении состояния датчиков (до 16) передаются в АРМ ТО в режиме реального времени. Интерфейс ПКО с системой мониторинга -RS485/RS232. Кроме того,  к ПКО может быть непосредственно подключен компьютер для просмотра текущего состояния и тестирования прибора. ПКО имеются аварийный светодиодный индикатор и реле, включающееся при обнаружении любого аварийного сигнала или аварийного падения сопротивления изоляции кабелей. Контакты реле выведены на разъем подключения к системе мониторинга и могут использоваться для местной сигнализации.

Конструкция

ПКО выполнен в виде компактного блока, крепящегося на DIN-рейку внутри станционного шкафа, и имеет следующие соединители:

- разъем для подключения контролируемых сигналов;

- разъем для подключения к системе мониторинга и подведения электропитания (-60 В);

ПКО имеет стандартные стыки и для подключения к АРМ ТО может использоваться любой низкоскоростной канал передачи данных. При установке ПКО на объекты, оснащённые аппаратурой оперативно-технологической связи ДСС, ПКО подключается к кассете УК, а в качестве АРМ ТО используется АРМ СМА дорожного уровня. АРМ СМА периодически опрашивает ПКО, информация анализируется, сохраняется и выводится на экран по запросам оператора.

Для каждого контролируемого кабеля устанавливаются два пороговых значения сопротивления изоляции: уровень предупреждения и уровень аварии. Они зависят от типа, длины и возраста кабеля. Анализируется скорость снижения сопротивления. Для неё устанавливается уровень предупреждения. Для каждого объекта устанавливается пороговый уровень предупреждения о повышенной интенсивности работы компрессора.

Выход параметров за пороговый уровень или срабатывание аварийных датчиков вызывает оповещение персонала с указанием объекта и характера проблемы. При необходимости оператор может запустить измерение параметров объекта и получить на экране их текущее состояние. В системе мониторинга обеспечивается оперативное администрирование – блокировка контроля отдельных параметров на время ремонта, исключение и ввод новых объектов, параметров, коррекция критериев нормы.

Рис.1.67. Прибор для контроля параметров объекта (ПКО).

Лабораторная работа № 20 Снятие разгонной характеристики объекта. Установка параметров настройки ПИ регулятора температуры.

Цель работы: Изучить «снятие разгонной характеристики объекта».

Ход работы: Теоретические сведения.

При снятии кривой разгона необходимо выполнить ряд условий:

1. Если проектируется система стабилизации, то кривая разгона должна сниматься в окрестности рабочей точки процесса.

2. Кривые разгона необходимо снимать как при положительных, так и отрицательных скачках управляющего сигнала. По виду кривых можно судить о степени асимметрии объекта. При небольшой асимметрии расчет настроек регулятора рекомендуется вести по усредненным значениям параметров передаточных функций, а линейная асимметрия наиболее часто проявляется в тепловых объектах управления.

3. При наличии зашумленного выхода желательно снять несколько кривых разгона с их последующим наложением друг на друга и получением усредненной кривой.

4. При снятии кривой разгона необходимо выбирать наиболее стабильные режимы процесса, когда действие случайных внешних возмущений маловероятно.

5. При снятии кривой разгона амплитуда тестового сигнала должна быть, с одной стороны, достаточно большой, чтобы четко выделялась кривая разгона на фоне шумов, а с другой стороны, она должна быть достаточно малой, чтобы не нарушать нормальной работы объекта.

Сняв кривую разгона и оценив характер объекта управления (с самовыравниванием или без), можно определить параметры соответствующей передаточной функции. Например, передаточную функцию вида рекомендуется применять для объектов управления с явно выраженной доминирующей постоянной времени (одноемкостный объект). Перед началом обработки кривую разгона рекомендуется пронормировать (диапазон изменения нормированной кривой) и выделить из ее начального участка величину чистого временного запаздывания.

Рассмотрим нормированную кривую разгона объекта, у которой заранее выделена величина чистого запаздывания А ₃ =3 мин. Построим график кривой разгона (рис.1.68) по ее значениям, приведенным в таблице 1.

Рис.1.68. График кривой разгона

Определение динамических характеристик объектов по кривой разгона можно производить двумя методами.

1. Метод касательной к точке перегиба кривой разгона. В данном случае точка перегиба соответствует переходу кривой от режима ускорения к режиму замедления темпа нарастания выходного сигнала. Постоянная времени Т и динамическое запаздывание t _d определяются в соответствии с графиком рис.2, то есть t =t ₃ +t _d .

2. Формульный метод позволяет аналитически вычислить величину динамического запаздывания и постоянной времени по формулам:

,где значение h _A берется в окрестности точки перегиба кривой, а значение h _B принимается равным 0,8 –0,85.По этим значениям определяются и моменты времени t _A и t _B .

Методику определения параметров динамической модели объекта без самовыравнивания рассмотрим на примере кривой разгона уровня в барабане котла теплоагрегата. Предполагается, что на вход объекта увеличили подачу воды на 10 т/час =.G, при этом уровень начал увеличиваться. 

Установка параметров настройки ПИ регулятора температуры.

При ПИД-регулировании сигнал управления зависит не только от разницы между текущим и заданным значением (величины ошибки или рассогласования), а также от накопленной ошибки (интеграла) и от скорости изменения ошибки во времени (дифференциала). В результате ПИД-регулятор обеспечивает такое значение сигнала управления, при котором ошибка в установившемся режиме стремится к нулю. Качество управления определяется многими факторами, ключевыми являются недетерминированность объекта управления, точность ввода-вывода регулятора и интенсивность внешних воздействий.  Математическое выражение цифрового ПИ-регулятора температуры:

,где:      Xp - полоса пропорциональности;     Ei = (SP-PV) = (уставка-тек) = ошибка (рассогласование);      Тд - постоянная времени дифференцирования;      ∆Ei - разность ошибок соседних измерений (Ei - Ei-1);      ∆tизм - время между соседними измерениями (ti - t i-1);      Ти - постоянная времени интегрирования;        - Накопленная к i-ому шагу сумма рассогласований (интегральная сумма). 

Практическое занятие № 5 Выбор закона регулирования.

В зависимости от типа уравнения связывающего величину отклонения регулирующей величины ε(t) и перемещение регулирующего органа Y(t) различают следующие законы регулирования.

Интегральный, или И - закон регулирования. Он описывается уравнением:

, где Ки – коэффициент пропорциональности, численно равный скорости перемещения регулирующего органа на единицу измерения регулируемой величины.

Передаточная функция И – регулятора:

.

Регуляторы, у которых регулирующее воздействие пропорционально интегралу отклонения регулируемого параметра, называют астатическими. И - регуляторы могут устойчиво регулировать работу лишь объектов с самовыравниванием.

Пропорциональный, или П - закон регулирования. Описывается уравнением:

, где Кп - коэффициент усиления регулятора, равен перемещению регулятора при отклонении регулируемой величины на единицу измерения.

Передаточная функция П – регулятора:

.

П - регуляторы называют статическими. Они могут устойчиво регулировать работу практически всех объектов. Их отличает простота реализации. Однако они обладают статической ошибкой, величина которой зависит от нагрузки объекта.

Пропорционально - интегральный, или ПИ - закон регулирования описывается уравнением:

, где Ти – время изодрома.

Регулирующее воздействие пропорционально отклонению и интегралу отклонения регулируемой величины.

Передаточная функция ПИ – регулятора:

.

ПИ – регулятор называют изодромным. ПИ - регуляторы отличаются простотой конструкции, позволяют устойчиво и без статической ошибки регулировать работу большинства промышленных объектов, вследствие чего получили наибольшее применение в практике.

Пропорционально - интегральный закон с введением производной, или ПИД - закон регулирования. Описывается уравнением:

, где Тд – время предварения.

Передаточная функция:

.

ПИД регуляторы называют регуляторами с предварением.

Введение в закон регулирования производной позволяет повысить устойчивость системы регулирования, уменьшить время регулирования, улучшить другие ее качественные показатели.

Практическое занятие № 6 Выбор элементов автоматики для заданной системы управления. Расчет параметров настройки системы. Оценка качества процесса управления.

Элементом автоматики называется часть системы, в которой происходит качественное или количественное преобразование физической величины и передачи ее к последующему элементу.

На принципиальной методике все элементы и связи между ними изображаются в виде условного графического обозначения. Это позволяет изготовить автоматическую систему или произвести ее ремонт.

Из полученной в результате расчета параметров настройки системы действует скачкообразное возмущение lif|| = l) и существует единственный оптимум для отдельно взятой сепаратной САР. Тогда оптимум в системе реализуется путем оптимизации каждой из эквивалентных сепаратных систем. Коэффициенты усиления обратно пропорциональны характеристическим числам матрицы А. Матрица коэффициентов усиления перекрестных связей в эквивалентной системе обратна матрице А (или отличается от А-1 скалярным множителем); оптимальной является автономная система.

При расчете не возникает осложнений, связанных с требованиями одинаковости параметров настройки различных сепаратных САР.

Для расчета параметров настройки системы САР с комплексными параметрами каждая настройка регулятора должна полагаться, вообще говоря, комплексной. При этом число выбираемых параметров удваивается; сложность задачи расчета значительно возрастает. Задача может быть упрощена путем наложения ограничений на структуру рассчитываемой сепаратной системы.

Качество процесса управления определяется поведением автоматической системы при переходе с одного режима работы на другой. Различают следующие основные показатели качества процесса управления: колебательность переходного процесса, максимальное отклонение (перерегулирование) управляемой переменной от заданного значения, точность, время переходного процесса.

Изменение выходной координаты   в переходном режиме называют переходным процессом. Переходный процесс определяется решением дифференциального уравнения в виде:

, где   – принужденная составляющая, обусловленная отработкой задающего воздействия;  – переходная (свободная) составляющая, обусловленная отработкой системой ненулевых начальных условий.

В общем случае этот процесс представляет собой сложное движение, характер которого зависит от поведения переходной составляющей и от формы начального участка принужденной составляющей. Для практики важно знать, как быстро система входит в установившийся режим, как велики перерегулирования во время переходного процесса и т. д., т. е. в понятие качества САУ нужно включить качество переходных процессов.

После окончания переходных процессов в системе устанавливается режим, когда с той или иной степенью точности выходная координата следует за задающим воздействием. На характер изменения выходной координаты в установившемся режиме существенное влияние оказывает форма воздействий. Иными словами, качество одной и той же системы зависит от характера приложенных к ней воздействий. Качество системы в установившемся режиме зависит также от ее структуры и параметров, поэтому, чтобы характеризовать свойства системы, в общее понятие качества надо включить и оценку качества установившегося режима.

Методы оценки качества процесса управления могут быть самыми различными, но определяются они в основном тремя факторами. Во-первых, они зависят от выбора критерия качества (когда систему считать «хорошей», а когда «плохой»); во-вторых, от исследуемого режима работы системы (в переходном режиме ошибки управления намного больше, чем в установившемся, а значит, и методы исследования должны быть разные); в-третьих, от характеристик воздействий. Вследствие неидеальности реальной САУ ухудшается ее качество, т. е. реальная выходная координата   всегда отличается от желаемой   Ошибка управления   входит в некоторый функцио-

нал  , называемый оценкой точности. Функционал может иметь самую разнообразную форму, выбор которой зависит от смысла задачи и метода ее решения. Наиболее простое значение функционала:  .

Оценки качества переходных процессов подразделяются на прямые и косвенные. На рис. 1.69 приведена классификация методов исследования переходных процессов.

Рис. 1.69. Классификация методов исследования переходных процессов