2.3. Аналоговые регуляторы с непрерывным выходным сигналом

Структуры аналоговых регуляторов. Такие регуляторы с непрерывным выходным сигналом строят на основе трех принципов: организации скользящего режима; использования усилителя и функциональной обратной связи; применения параллельной структуры.

Автоматический регулятор с непрерывным выходным сигналом, работающий в скользящем режиме (например, типа К15), имеет структуру регулирующего устройства с импульсным выходным сигналом. В эту структуру вместо электродвигательного ИМ включен исполнительный механизм-интегратор, выполненный на электронных элементах. Отсутствие механических движущихся частей в структуре АР позволяет обеспечить достаточно большую частоту переключения аналого-позиционного преобразователя. В результате этого ступенчатый характер выходного сигнала интегрирующего ИМ практически незаметен, и регулятор можно рассматривать как линейный аналоговый.

На рис. 2.9, а показана схема формирующего узла (применяемого в регуляторах типа РБА) но одном операционном усилителе (ОУ) с функциональной обратной связью. Эквивалентное сопротивление между узлами с напряжениями v_п и v_в может быть найдено путем преобразования Т-образной цепи в эквивалентную П-образную цепь. Это сопротивление Z_э=R₂+R₃+R₂R₃C₅. Передаточная функция формирующего узла:

W_p(р)=-(k_p+Т_д⁺р),

где k_p=(R₂+R₃)/R₁; Т_д⁺=R₂R₃C/R₁.

Для данного узла параметры настроек взаимозависимы, так как k_p и Т_д⁺ одновременно зависят от сопротивлений R₁, R₂ и R₃. Поэтому в регуляторах с функциональной одноканальной связью для изменения только одного параметра настройки необходимо варьировать все параметры.

Для создания формирующих узлов на одном операционном усилителе с независимыми коэффициентами настроек необходимо использовать многоканальную обратную связь. Принцип построения такой связи состоит в том, что на инвертирующий вход усилителя ОУ входной сигнал  подают не только через входные цепи, но и через цепи обратной связи. При этом регулировочные элементы узла содержат спаренные резисторы, один из которых включен во входную цепь усилителя, а другой - в цепь обратной связи.

На рис. 2.9, б показана схема ПИД-регулятора с многоканальной обратной связью и независимыми параметрами настройки (такую структуру имеет регулятор Р12 системы "Каскад"). В этом регуляторе низкоомные делители напряжений на резисторах R₁, R₂ и R₅ имеют коэффициенты передачи k₁, k₂ и k₃. Передаточную функцию этого регулятора можно найти следующим образом. Поскольку ввиду действия обратной отрицательной связи сигнал v₃ = 0, то через резистор R₃ течет ток I_R3 = v₁/R₃. Так как ток через конденсатор С₂ равен току I_R3, то напряжение v₂= I_R3/(pC₂). Через конденсатор С₁ проходит ток I_cl=(v₀-v₂)C₁p. Ток через резистор R₄ определяется как I_R4 =I_R3+I_C1. Этот ток формирует напряжение v₄ = v₂+I_R4R₄. Учитывая, что

v₀=k₁; v₁=k₂; v₄=k₃v_в; С₁=С₂=С; R₁=R₂=R; k₂=0,5,

Рис. 2.9. Структурная схема регулятора с непрерывным выходным

сигналом при зависимых (а) и независимых (б) параметрах настройки

можно найти:

W_p(p)=v_в(p)/[(р)]=k_р[1+1/(T_ир)+T_иp],

где k_p = 1/k₃; T_и = 2СR;  = k₁/2.

На рис. 2.10 показана схема ПИД-регулятора с параллельной структурой и непрерывным выходным сигналом. Такие схемы имеют, в частности, регуляторы Р17 и Р133. При параллельной структуре каждая из составляющих выходного сигнала регулятора формируется отдельным функциональным блоком, причем эти блоки подключены к общему сумматору. Такая параллельная структура в рассматриваемом АР образована усилителем (УС), дифференциатором (Д) и делителем напряжения (ДН), имеющими передаточные функции соответственно k, T_др и .

Рис. 2.10. Схема регулятора с параллельной структурой

На операционном усилителе ОУ₁ выполнен двухходовой суммирующий интегратор. При автоматическом режиме работы регулятора переключатель (Пр) находится в положении А; при этом передаточная функция интегратора равна 1/(T_ир), где Т_и=R₁C. В этом же режиме низкоомный выход сумматора 2 непосредственно подключен к инвертирующему входу ОУ₂. Поэтому узел на усилителе ОУ₂ имеет большой отрицательный коэффициент передачи, а напряжение v_py от блока ручного управления не влияет на выходной сигнал усилителя v_в.

Сумматор  и усилитель ОУ₂ охвачены отрицательной обратной связью через делитель ДН. Сумматор  можно представить в виде эквивалентной совокупности двух последовательно включенных сумматоров Э₁ и Э₂. Первый из них имеет три входа, второй - два. На вход сумматора Э₂ подаются выходные сигналы Э₁ и ДН. Цепь, содержащая элементы Э₂, ОУ₂ и ДН, имеет коэффициент передачи -1/. Следовательно, передаточную функцию АР можно записать как

В регуляторах с параллельной структурой отдельные блоки и цепочки блоков охвачены нелинейными безынерционными отрицательными обратными связями, ограничивающими уровни выходных сигналов. У нелинейных связей, подключенных к выходу регулятора, имеются элементы настройки, позволяющие выбирать диапазон изменения выходного сигнала регулятора.

Устройства безударного переключения АР. Регуляторы Р17 и Р133 имеют устройство для безударного перехода с автоматического режима работы на ручной. Для этого с помощью блока ручного управления устанавливают напряжение v_py, равное сигналу v_в. Затем переключатель Пр переводят в положение "Р". Поскольку R₃=R₄, то сразу после переключения режимов напряжение v_в сохраняется неизменным. После этого напряжение v_в изменяют вручную с помощью сигнала v_py.

В ручном режиме работы регулятора выход сумматора  подключен ко второму входу интегратора, в частности к резистору R₂ поэтому образуется дополнительный контур с отрицательной обратной связью. В этом контуре на выходе интегратора формируется такое напряжение, чтобы алгебраическая сумма напряжений, вырабатываемых на выходе сумматора Э₁, была равна -v_py. В противном случае на выходе сумматора  (или, что то же, на выходе сумматора Э₂) появится разбаланс, заставляющий интегратор изменить свое выходное напряжение. Наличие дополнительного контура с отрицательной обратной связью позволяет автоматически осуществить безударный переход с ручного режима на автоматический. Действительно, сразу после установки переключателя Пр в положение "А" выходной сигнал -v_py с сумматора Э₁ умножается на коэффициент передачи -1/ выходной цепи. В результате выходной сигнал регулятора изменяется в зависимости от значения сигнала разбаланса.

Некоторые регуляторы данного типа имеют кнопочное ручное управление. При ручном управлении на вход интегратора, встроенного в АР, с помощью кнопок "больше" или "меньше" подается нужное положительное или отрицательное напряжение. Поскольку при переходе в режим автоматического управления используется тот же интегратор, то сразу после переключения выходной сигнал регулятора сохраняется, т.е. осуществляется безударный переход с одного режима на другой.

Рис. 2.11. Структурная схема тиристорного усилителя мощности

Усилители мощности АР. В состав аналоговых электрических регуляторов входят усилители мощности. К их числу относится бесконтактный тиристорный усилитель типа У-252, предназначенный для управления электрической мощностью нагрева (такой усилитель выполняет одновременно функции ИМ). Структурная схема усилителя У-252 приведена на рис. 2.11. Усилитель содержит генератор Г пилообразного напряжения, период следования сигналов которого равен полупериоду сетевого напряжения v_с. В состав генератора входят двухполупериодный выпрямитель В напряжения v_с, сумматор  для смещения импульсов положительной полярности на отрицательную величину v_см и интегратор И с полупроводниковым ключом для установления нулевого уровня сигнала v_г.

Входное напряжение усилителя v_вx суммируется с v_г в сумматоре ₁ и результат вводится в компаратор К, вырабатывающий высокий уровень напряжения v_к, когда v_р больше максимального значения v_г=v₀. Формирователь импульсов ФИ вырабатывает короткий импульс, открывающий тиристор в блоке ТБ в момент времени, когда v_р>v₀; тиристор вновь закрывается в момент времени, когда v_с=0. За время открытия тиристора сетевое напряжение v_с поступает на нагрузку. Зависимость электрической мощности N, рассеиваемой в нагрузке, от напряжения v_вх в общем случае нелинейна.

Для построения исполнительных механизмов с линейными статистическими характеристиками по каналу v_вх-N применяют тиристорный усилитель типа У-13. Он имеет внутренний следящий И-регулятор, поддерживающий выходную мощность N на уровне, пропорциональном сигналу v_вх. Коэффициент пропорциональности усилителя определяется электрическим сопротивлением нагрузки на выходе АР.