1.2. Классификация автоматических регуляторов
Автоматические регуляторы классифицируют по типу задающего элемента, в зависимости от источника энергии, от способа воздействия на объекты, от связи между элементами и между отклонением и регулирующим воздействием.
По типу задающего элемента (задатчика) автоматические регуляторы могут быть стабилизирующими, программными, следящими и оптимальными.
В стабилизирующих регуляторах уставка задатчика остается неизменной в течение длительного времени, в результате чего обеспечивается поддержание регулируемой величины на постоянном заданном уровне. Эти регуляторы могут иметь задатчики и не иметь их, а следовательно, и элементов сравнения. Например, для большинства регуляторов уровня заданное значение определяется высотой установки датчика, которая в дальнейшем не изменяется.
В холодильной технике наиболее распространены стабилизирующие регуляторы.
В отличие от стабилизирующего программный регулятор отрабатывает временное задание по заранее намеченной программе. Задание может изменяться с помощью вращающегося кулачка определенного профиля, графика, изображенного на бумаге или пленке, и т.д.
Следящий регулятор получает задание, изменяющееся во времени по неизвестной заранее программе. К следящим регуляторам относят электронные мосты и потенциометры. Как и в любом измерительном приборе, положение стрелки в них должно соответствовать измеряемой величине, которая является заданным значением и может произвольно изменяться. Механизм, перемещающий стрелку, должен с минимальной погрешностью отрабатывать все изменения задающей (измеряемой) величины.
Оптимальные регуляторы имеют задающие устройства, содержащие кибернетические элементы. С помощью запрограммированных математических зависимостей, вводимых в задающее устройство, или путем последовательных проб определяется такое задание регулятору, которое при данных реальных условиях обеспечивает оптимальное ведение процесса (по производительности, стоимости, КПД или другим показателям).
В зависимости от источника энергии, приводящего в движение регулирующий орган, различают регуляторы прямого или непрямого действия.
В регуляторе прямого действия регулирующий орган перемещается под действием силы, развиваемой чувствительным элементом.
В регуляторах непрямого действия привод регулирующего органа может осуществляться вспомогательной энергией, подводимой извне, либо анергией, отбираемой от рабочей среды. Регуляторы с подводом вспомогательной энергии извне бывают электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные. Регуляторы без подвода вспомогательной энергии извне, обычно использующие давление рабочей среды до регулирующего органа, состоят из небольшого управляющего регулятора прямого действия (пилота) и специального исполнительного механизма. Клапан пилота выполняет функции усилителя и управляет работой основного регулирующего органа. Таким образом, хотя регулятор и снабжен усилителем, энергия извне к нему не подводится.
В зависимости от способа воздействия на объекты регуляторы могут быть плавного и позиционного действия.
В регуляторах плавного действия величина х может принимать любые значения в пределах между максимальным и минимальным. Так, регулирующий клапан, приводимый в движение электрическим или пневматическим исполнительным механизмом, может плавно изменять расход жидкости или пара.
В регуляторах позиционного действия величина х имеет два или несколько значений. Например, электромагнитный вентиль не занимает промежуточного положения, а может быть только открыт или закрыт.
В зависимости от связи между элементами системы могут быть непрерывными и импульсными.
Системы, в которых связь между элементами постоянна, т.е. каждый из элементов жестко присоединен к соседним, называют непрерывными (см. рис. 1.3).
Системы, в которых связь между любыми элементами не остается постоянной, а периодически размыкается, называют импульсными (прерывистыми). К таким устройствам относят многоточечные регуляторы. В них один усилитель обслуживает ряд регулирующих цепей, к которым он поочередно подключается. Каждая из цепей периодически на короткое время замыкается, а остальную часть периода остается разомкнутой.
В зависимости от характера связи между отклонением и регулирующим воздействием (иногда эту связь называют законом регулирования) различают пропорциональные и интегральные регуляторы.
Пропорциональный, или статистический, регулятор (П-регулятор) характеризуется зависимостью
х = kδ, (1.1)
или
dx/dτ = kdδ/dτ.
Из соотношения (1.1) видно, что величина воздействия х регулятора на объект пропорциональна отклонению δ. Регулирующий орган останавливается, когда прекращается изменение регулирующей величины, т.е. dx/dτ = 0 при dδ/dτ = 0. Отсюда видно, что регулятор приходит в равновесие независимо от того, устранено отклонение или нет.
Интегрирующий, или астатический, регулятор (И-регулятор) характеризуется зависимостью
(1.2)
или
dx/dτ = δ/Ти.
Уравнение (1.2) показывает, что регулятор приходит в равновесие (dx/dτ = 0) и останавливает регулирующий орган только при δ = 0. Кроме того, скорость движения регулирующего органа или изменения регулирующего воздействия dx/dτ пропорциональна отклонению δ. В идеальном случае остаточное отклонение у такого регулятора отсутствует.
Графики (рис. 1.4) иллюстрируют различие процессов регулирования в системах с пропорциональным и интегрирующим регуляторами. В замкнутой системе внешнее воздействие на объект fвн в момент τ0 ступенчато изменяется от начального fн до конечного fк значения (верхний график). В системе с пропорциональным регулятором это вызывает переходной процесс, в результате которого величина у от значения ун стремится к новому установившемуся значению ук (средний график). Разность σ = ук - ун называют статической ошибкой системы или статизмом. Величина этой ошибки зависит от коэффициента усиления регулятора k (см. формулу (1.1)) и тем меньше, чем этот коэффициент больше (чем более чувствителен регулятор). В системе с интегрирующим регулятором изменению fвн также сопутствует переходной процесс, однако величина у всегда стремится к заданному значению уз (нижний график).
Рис. 1.4. Процессы регулирования в системах с пропорциональным
и интегрирующим регуляторами при изменении внешнего воздействия
Рассмотренные два класса регуляторов являются основными. Для улучшения качества регулирования применяют следующие регуляторы с корректирующими (стабилизирующими) устройствами: пропорциональный регулятор с предварением, пропорционально-интегральный регулятор, пропорционально-интегральный регулятор с предварением. Эти устройства ускоряют переходные процессы и уменьшают динамические отклонения (перерегулирования).
Пропорциональный регулятор с предварением (ПД-регулятор) воздействует на объект не только по отклонению, но и по производным отклонениям во времени. В результате регулятор до появления значительного отклонения начинает переставлять регулирующий орган и, следовательно, уменьшает динамические отклонения. Работа регулятора с воздействием по 1-й производной описывается уравнением:
х = kδ + kуdδ / dτ.
Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) формирует воздействие по отклонению и его интегралу. Как правило, этот регулятор в начале переходного процесса действует как пропорциональный, а в конце - как интегральный.
Уравнение этого регулятора имеет следующий вид:
.
Пропорционально-интегральный регулятор с предварением (ПИД-регуля-тор) формирует воздействие по трем составляющим: по отклонению, его интегралу и 1-й производной. Его уравнение имеет вид:
Несмотря на имеющиеся в пропорционально-интегральном регуляторе и пропорционально-интегральном регуляторе с предварением воздействия по отклонению, эти регуляторы являются астатическими, так как скорость dх/dτ = 0 только при δ = 0. Регулирующий орган приходит в состояние покоя при отсутствии отклонения.