5. Аср с усложнённой структурой [1÷4]

При автоматизации сложных объектов, характеризующихся большой инерционностью и значительными возмущениями, одноконтурные АСР с типовыми законами регулирования не всегда в состоянии обеспечить требуемое качество регулирования. Одним из способов повышения качества регулирования является усложнение структуры АСР, что позволяет при автоматизации сложных объектов регулирования обойтись стандартным ассортиментом средств автоматизации.

Рассмотрим наиболее применяемые схемы АСР с усложнённой структурой, позволяющие повысить качество регулирования по сравнению с одноконтурными.

5.1. Каскадные аср

Структурная схема и принцип действия

Структурная схема каскадной АСР приведена на рис. 39.

В частном случае структурная схема объекта регулирования в каскадной АСР может иметь вид (рис. 40).

Каскадная АСР является двухконтурной, содержащей внешний контур регулирования основной регулируемой переменной y с корректирующим (основным) регулятором Р₂ и внутренний контур регулирования промежуточной регулируемой переменной y₁ со стабилизирующим (вспомогательным) регулятором Р₁.

W_об1(р) и W_об(р)- передаточные функции объекта регулирования соответственно по каналу промежуточной и основной регулируемой переменной. Для структурной схемы объекта на рис. 40 справедливо:

Регуляторы Р₂ и Р₁ включены последовательно, что и обусловило название "каскадная".

Стабилизирующий регулятор воздействует непосредственно на рабочий орган объекта, изменяя регулирующее воздействие, а корректирующий регулятор воздействует на задатчик стабилизирующего регулятора, изменяя задание на промежуточную регулируемую величину. Промежуточная регулируемая величина должна удовлетворять двум требованиям. Во-первых, промежуточная регулируемая величина должна реагировать на то же основное возмущение, которое действует на основную регулируемую величину. Во-вторых, инерционность объекта регулирования по каналу промежуточной регулируемой величины должна быть много меньше, чем по каналу основной. При выполнении этих условий внутренний контур со стабилизирующим регулятором Р₁ быстро реагирует на основное возмущение (так как инерционность объекта регулирования по каналу x-y₁ невелика), что позволяет скомпенсировать его действие, не дожидаясь отклонения основной регулируемой переменной (как это было бы в одноконтурной АСР). Для компенсации оставшихся небольших по величине возмущений, на которые y₁ не реагирует, а y реагирует, служит внешний контур с корректирующим регулятором Р₂.

Таким образом, основные возмущающие воздействия компенсируются быстродействующим стабилизирующим регулятором Р₁, а оставшиеся небольшие возмущения компенсируются корректирующим регулятором Р₂ изменением задания регулятору Р₁.

За счёт того, что вспомогательная регулируемая величина быстро откликается на основное возмущение, качество регулирования в каскадной АСР может быть существенно повышено по сравнению с одноконтурной.

В качестве стабилизирующего регулятора обычно используется П- регулятор, позволяющий обеспечить высокое быстродействие внутреннего контура. При малой инерционности объекта по каналу промежуточной регулируемой величины коэффициент передачи этого регулятора не ограничивается соображениями устойчивости, что позволяет обеспечить малую статическую ошибку регулирования величины y₁.

В качестве корректирующего регулятора обычно используются ПИ-, ПИД- регуляторы для того, чтобы обеспечить высококачественное регулирование основной регулируемой величины.

Пример: Каскадная АСР температуры в кубе ректификационной колонны (рис. 41.).

Обозначения на рис. 41

РК- ректификационная колонна,

К- кипятильник кубового продукта,

t_K- температура кубового остатка,

Р- давление пара на входе кипятильника.

Температура кубового остатка регулируется подачей пара в кипятильник. Однако, если давление в коллекторе питающего пара часто и значительно меняется, целесообразно применить каскадную АСР со стабилизирующим контуром давления пара и корректирующим контуром температуры в нижней части (кубе) колонны.

Расчёт настроек регуляторов в каскадных АСР

Поскольку настройки одного регулятора в общем случае зависят от настроек другого регулятора, расчёт оптимальных настроек регуляторов в каскадных АСР представляет достаточно сложную задачу, решаемую итеративными способами.

Последовательность расчёта настроек регуляторов

1) Определяется эквивалентная передаточная функция для расчёта стабилизирующего регулятора:

(102)

На первом шаге итеративной процедуры, когда ещё неизвестна, полагают

(103)

(Если быстродействие внутреннего контура много больше, чем внешнего, внутренний контур практически не зависит от внешнего и допущение (103) оказывается справедливым, что позволяет рассчитывать стабилизирующий регулятор без учёта настроек корректирующего).

2) Определяется настройка стабилизирующего регулятора по структурной схеме (рис. 42.).

3) Определяется передаточная функция эквивалентного объекта для расчёта настроек корректирующего регулятора:

(104)

4) Определяются настройки корректирующего регулятора по структурной схеме (рис. 43.).

5) Начиная со второго шага, проверяется правило останова: близость настроек регуляторов на соседних шагах. При его выполнении- останов, иначе- вернуться к п.1.

На практике обычно ограничиваются одним шагом итерационной процедуры.