3.3.2. Позиционные электрические регуляторы

Позиционными электрическими регуляторами называются устройства, в которых регулирование производится с помощью выходных ключей (электрических контактов, электронных, оптронных и др.), срабатывающих при достижении соответствующей границы зоны допустимого значения регулируемого параметра [12].

Двухпозиционные регуляторы (ДПЗР) формируют на своем выходе управляющие команды двух уровней: «больше-меньше», «включено-выключено». Структурная схема ДПЗР (рис. 3.53) содержит элемент сравнения 1, на входы которого поступают сигналы X и X_зад соответственно с датчика регулируемого параметра и задатчика 2. В результате этого на выходе элемента сравнения 1 формируется сигнал разности X₁= Х – Х_зад, который после усиления в усилителе 3 в виде сигнала X₂ = kХ₁ подается на вход релейного элемента 4, имеющего характеристику (рис. 3.54) с зоной нечувствительности Δ, коэффициентом возврата γ (0 < γ < 1) и зоной неоднозначности

X_2вкл – Х_2выкл= Δ – γΔ.

Рис. 3.53. Структурная схема двухпозиционного регулятора

При увеличении значения X₂, т. е. разности истинного и заданного значений регулируемого параметра, усиленного в k раз до величины X_2вкл, происходит включение релейного элемента 4 и на его выходе появляется выходной управляющий сигнал Y_упр, воздействующий на исполнительное устройство ИУ и регулирующий орган РО (на рис. 3.53 не указаны). В результате этого значение X₂ уменьшается и при достижении величины X₂ < Х_2выкл релейный элемент 4 выключается и управляющее воздействие прекращается, т. е. Y_упр= 0.

ДПЗР настраиваются таким образом, чтобы значение Y_упр и X₂ отсчитывались в приращениях от условного равновесного состояния объекта регулирования, соответствующего расчетным значениям Y_упр0 и X₂₀, принятым за начало отсчета. Применительно к ДПЗР границы зоны неоднозначности на статической характеристике (рис. 3.53) принято обозначать –а и +а, при этом зона неоднозначности будет равна 2а.

Рис. 3.54. Статическая характеристика ДПЗР с зоной неоднозначности	Рис. 3.55. Реальная статическая характеристика ДПЗР

Аналитическая статическая характеристика ДПЗР в этом случае записывается в виде:

Y_упр = Y_упр1, при Х₂ ≥ а; – а < Х₂ < а и dХ₂/dt < 0;

Y_упр = – Y_упр2, при Х₂ ≤ – а; – а < Х₂ < а и dХ₂/dt> 0.

Отсюда следует, что ДПЗР постоянно оказывают на объект регулирования воздействия, отличные от их значения, которые были бы необходимы для равновесного состояния системы при Х₂ = 0, т.е. автоматическая система будет работать в автоколебательном режиме в окрестностях ее равновесного состояния. С учетом статической характеристики ДПЗР реализуют П-закон регулирования. При использовании в качестве исполнительного устройства ИУ электродвигательного многооборотного реверсивного привода постоянной скорости с передаточной функцией

W(p) = 1/(T_ИУp + 1)

можно реализовать ПИ-закон регулирования.

Трехпозиционные регуляторы (ТПЗР) имеют статическую характеристику релейного элемента 4, представленную на рис. 3.56. Зона нечувствительности Δ_нч определяется в этом случае значением 2а₂, а зона неоднозначности Δ_но – значением  а₂ – а₁. Тогда аналитическая статическая характеристика записывается в виде:

Y_упр= Y_упр1, при Х₂  Δ_нч/2; Δ_нч/2 – Δ_но< Х₂< Δ_нч/2 и dХ₂/dt < 0;

Y_упр= – Y_упр2, при Х₂  – Δ_нч/2; Δ_но – Δ_нч/2> Х₂> Δ_нч/2 и dХ₂/dt > 0;

Из этого следует, что ТПЗР имеют устойчивое состояние (Y_упр= 0) в окрестности равновесного состояния системы. В этом состоит принципиальное отличие ТПЗР от ДПЗР. Если при очередном переключении регулятора в состояние Y_упр= 0 отклонение регулируемой величины Х₂ не будет выходить за зону нечувствительности регулятора, т.е. будет сохраняться условие Х₂ < Δ_нч/2, то в этом состоянии автоматическая система регулирования может оставаться бесконечно долго и в системе не будет автоколебательных процессов.

Рис. 3.56. Статическая характеристика ТПЗР

На рис. 3.57 представлены переходные процессы соответственно регулирующего воздействия и изменения регулируемой величины в системе с ДПЗР и объектом в виде инерционного звена. Переходный процесс для объекта с передаточной функцией без запаздывания изображен на рис. 3.57, б сплошной линией.

При включении ДПЗР в объект будет поступать такое количество энергии или вещества, которое обеспечит возрастание регулируемой величины по экспоненциальному закону до установившегося значения Х_уст (кривая I). В точке 1 по истечении времени t₁ количество поступившей энергии или вещества в объект обеспечит заданное значение Х_зад регулируемой величины, но переключение регулятора не произойдет, т. к. Х_зад находится в зоне неоднозначности. Когда регулируемая величина превысит значение Х_зад + а по истечении времени t₂ регулятор в точке 2 переключится и приток энергии или вещества прекратится. Однако из-за инерционности объекта через время t₃ регулируемая величина достигнет значения Х' (точка 3) а далее начнет уменьшаться. Включение ДПЗР произойдет в момент времени t₄ (точка 4), когда регулируемая величина будет меньше значения Х_зад – а зоны неоднозначности. Однако из-за инерционности объекта ко времени t₅ регулируемая величина достигнет значения Х”, а далее начнет увеличиваться.

Рис. 3.57. Переходные процессы в системе с ДПЗР

Если объект обладает запаздыванием, т. е. передаточная функция имеет вид

W₀(p) = k₀·e ^-pτ/(T₀p+1),

то все указанные выше процессы будут протекать аналогичным образом, только с запаздыванием τ (кривая II).

Уменьшение диапазона колебаний регулируемой величины при двух- и трехпозиционном регулировании возможно за счет уменьшения коммутируемого регулятором количества энергии или вещества. В результате использования, так называемого метода неполного притока или оттока, снижается скорость изменения регулируемой величины при переключении регулятора. Это может быть достигнуто прерыванием регулирующего воздействия с определенной частотой и длительностью или применением обводных линий, обеспечивающих только часть притока оттока энергии или вещества.

Дальнейшее улучшение качества регулирования с использованием позиционных регуляторов и исполнительных устройств постоянной скорости заключается в изменении скважности управляющего сигнала Y_упр в зависимости от амплитуды и полярности отклонения истинного X от заданного X_зад значения регулируемой величины.

Структурная схема такого регулятора, представленная на рис. 3.58, содержит усилитель 1, на вход которого поступает сигнал ±X₂ = Х – X_зад; трехпозиционное реле 2; усилитель 3, вход которого связан с выходом формирователя 4 сигнала обратной связи, подключенного к выходу схемы 5 переключения знака сигнала обратной связи; выходные ключи 6, входы которых подсоединены к соответствующим выходам трехпозиционного реле 2, а выходы – к исполнительному устройству ИУ и схеме 5 переключения знака.

Рис. 3.58. Структурная схема позиционного регулятора с изменяюмой скважностью

При наличии отклонения регулируемой величины от заданной на первый вход трехпозиционного реле 2 поступает усиленный в k раз усилителем 1 сигнал ±X₂, в результате чего трехпозиционное реле 2 срабатывает в одну из позиций относительно нейтрального положения в зависимости от знака X₂. Через выходные ключи 6 сигнал Y_упр поступает на исполнительное устройство ИУ, которое обеспечивает увеличение или уменьшение притока (или оттока) энергии или вещества в объект регулирования. Одновременно с выходных ключей 6 через схему 5 переключения знака напряжение подается на формирователь 4 сигнала обратной связи и далее через усилитель 3 – на второй вход трехпозиционного реле 2. Формирователь 4 обратной связи выполнен на RC элементах, которые обеспечивают инерционность зарядно-разрядных процессов и временную зависимость коэффициента передачи звена обратной связи, т. е.

β(t) ≠ const.

На рис. 3.59 приведены графики изменения отклонения величины Х₂ и сигнала обратной связи Х_ос, а также сигнала управления Y_упр и положения μ исполнительного устройства (ИУ).

Рис. 3.59. Графики изменения отклонения величин Х₂ , Х_ос , Y_упр , μ ИУ

Если в системе автоматического регулирования по каким-либо причинам в момент времени t₀ возникает отклонение регулируемой величины от заданного значения, то на первом входе трехпозиционного реле 2 имеет место возрастающий сигнал k₁Х₂. При достижении в момент времени t₁ величины отклонения более Δ/k₁, где Δ – зона нечувствительности релейного элемента, включается трехпозиционное реле 2, через выходные ключи 6 – исполнительное устройство ИУ, а через схему переключения знака 5 – формирователь 4 сигнала обратной связи. Начинается заряд конденсатора С и увеличивается напряжение Х_ос на втором входе трехпозиционного реле 2. Так как dХ_ос/dt > dХ₂/dt, то разность k₁Х₂ – k₂Х_ос на входах трехпозиционного реле 2 уменьшается и в момент времени t₂, когда (k₁Х₂ – k₂Х_ос) < Δγ/k₁, где γ – коэффициент возврата, трехпозиционное реле 2 и исполнительное устройство ИУ – отключаются, а конденсатор С начинает разряжаться. За время t₃ – t₂ разряда конденсатора С исполнительное устройство ИУ находится в выключенном состоянии. В момент времени t₃, когда разность k₁Х₂ – k₂Х_ос станет больше Δγ/k₁, трехпозиционное реле 2 снова включится и описанные выше процессы будут повторяться. Однако, как это видно из рис. 3.59, длительность включения исполнительного устройства ИУ со временем уменьшается, а паузы между включениями – увеличиваются.