Особенности реализации промышленных регуляторов

В ряде случаев при реализации П-регулятора из конструктивных соображений в качестве исполнительного механизма используют двигатель (электродвигатель, гидроцилиндр и т.д.), который в динамическом отношении является интегрирующим звеном с передаточной функцией

, где T – постоянная времени звена.

Чтобы в этом случае получить пропорциональный закон управления, исполнительный механизм охватывают глубокой отрицательной обратной связью через усилительное звено. Структурная схема регулятора вместе с исполнительным механизмом для этого случая показана на рис. 133, где k_ос – усилительное звено в местной обратной связи. В этом случае передаточная функция регулятора может быть найдена следующим образом:

,

где , при и .

При глубокой обратной связи и передаточная функция вырождается в коэффициент усиления, что и требуется для получения пропорционального регулятора.

Для получения ПИ-регулятора при использовании интегрального исполнительного механизма также приходится прибегать к введению обратных связей в структуре регулятора. Структура такого регулятора приведена на рис. 134. Местная обратная связь через инерционное звено является отрицательной (для упрощения схемы сумматор отдельно не показан). Исполнительный механизм представлен в структуре интегрирующим звеном.

П ередаточная функция регулятора определится как передаточная функция структуры, изображённой на рис. 134:

,

где  балластная (не требуемая) постоянная времени регулятора.

Полученная передаточная функция включает передаточную функцию усилительного звена, передаточную функцию форсирующего звена первого порядка и передаточную функцию инерционного звена. Эта передаточная функция отличается от передаточной функции ПИ-регулятора только наличием инерционного звена. Звено с передаточной функцией является балластным звеном, которое делит ПИ-регулятор неидеальным. В общем случае реальный регулятор можно представить в виде соединения идеального ПИ-регулятора с балластным звеном, которое учитывает реальные инерционные свойства регулятора.

Настройка промышленных регуляторов

При использовании регулятора с конкретным объектом управления необходимо регулятор настраивать, чтобы получить устойчивую систему автоматического управления с требуемым качеством переходных процессов. П-регулятор имеет только одну настройку – коэффициент усиления . Одна настройка и у И-регулятора – коэффициент усиления k_и (или постоянная интегрирования).

Для ПИ-регулятора необходимо настроить коэффициенты усиления пропорционального и интегрального каналов регулирования. Наиболее сложна настройка ПИД-регулятора – необходимо настроить коэффициенты усиления трёх каналов регулирования.

Для реальных регуляторов вводят дополнительно понятие "зона нечувствительности" регулятора. Зоной нечувствительности называется максимальный диапазон изменения сигнала на входе регулятора, не вызывающий появление сигнала на его выходе. При ошибке в системе, не выходящей за пределы зоны нечувствительности, регулятор не оказывает влияние на объект управления. Зона нечувствительности ∆=2, где   порог чувствительности.

С ерийные регуляторы универсального назначения имеют органы настройки, позволяющие изменять значения параметров регулятора , , , ∆ при его настройке на конкретный объект. Для настройки регулятора необходимо знать параметры объекта и его передаточную функцию. Характеристика объекта обычно определяется аналитически или экспериментально, например, по переходной характеристике объекта.

В качестве примера на рис. 135 показаны типичные переходные характеристики объектов с разными свойствами. На рис. 135а показана апериодическая переходная характеристика, типичная для объекта с инерционными свойствами. Такой объект может быть описан типовым инерционным звеном

, где  коэффициент усиления объекта; u_вх – входной ступенчатый сигнал, для которого снята переходная характеристика; T_o – постоянная времени объекта, определяемая по графику переходной характеристики (рис. 135а).

На рис. 135б показана переходная характеристика объекта, обладающего колебательными свойствами. При ограничении порядка дифференциального уравнения объекта n=2 объект может быть описан колебательным звеном

, где k_o – коэффициент усиления объекта, определяемый так же, как и в предыдущем случае; T₁, T₂ – постоянные времени.

Для определения постоянных времени используется график переходной характеристики (см. построения на рис. 135б). По графику определяются параметры , , по которым затем вычисляются постоянные времени

, .

На рис. 135в показана переходная характеристика для объекта, описываемого дифференциальным уравнением второго порядка, вырожденного в двойное апериодическое звено. Характерной особенностью характеристики является наличие пологого начального участка. Такой объект часто описывается как объект с запаздыванием.

На рис. 135г приведена переходная характеристика объекта с чистым запаздыванием. Начало переходного процесса в объекте отстаёт на величину _з (величина запаздывания) от момента приложения входного воздействия (нулевой момент). Апериодический вид переходной характеристики свидетельствует о наличии у объекта инерционных свойств. Поэтому передаточная функция для данного объекта должна учитывать запаздывание и инерционные свойства

.

Для определения настроек регулятора решается задача параметрического синтеза системы автоматического управления. В процессе синтеза можно варьировать закон регулирования для обеспечения требуемого качества полученной системы. При настройке регулятора стремятся обеспечить заданное качество процесса в системе управления. В зависимости от выбранного показателя качества используют тот или иной метод расчета настроечных параметров.

Пример. Рассмотрим управление объектом с инерционными свойствами от ПИ-регулятора. Передаточная функция ПИ-регулятора

, где  постоянная времени регулятора.

Разомкнутая система автоматического управления будет иметь передаточную функцию

, где  коэффициент усиления системы; k_o – коэффициент усиления инерционного объекта; T_o – постоянная времени инерционного объекта.

Если при настройке регулятора обеспечить , то форсирующие свойства ПИ-регулятора компенсируют инерционные свойства объекта управления и передаточная функция разомкнутой САУ примет вид

_.

Для передаточной функции замкнутой системы получим

, где .

Величина коэффициента усиления K системы может быть выбрана, например, из условия ограничения ошибки системы. Поскольку для астатической системы (при использовании ПИ-регулятора система астатическая) скоростная ошибка , то можно принять , где  максимальная скорость изменения задающего воздействия в системе.

В настроенной таким образом замкнутой системе будет наблюдаться плавный апериодический переходный процесс, который будет тем короче, чем больше коэффициент усиления K. Следовательно, предлагаемые настройки ПИ-регулятора позволяют получить в системе переходные процессы хорошего качества, обеспечивая выполнение требований к точности управления в системе.