Управляющие устройства

В настоящее время для управления объектами мясной промышленности нашли применение следующие устройства:

- регулирующие блоки (автоматические регуляторы),

- управляющие ЭВМ, микропроцессоры и микроконтроллеры,

- электроконтактные схемы управления,

- логические схемы управления, выполненные на элементах электроники и пневмоники.

Автоматические регуляторы. Общие понятия. Классификация.

Регулирующие блоки (устройства) предназначены для сравнения текущего значения регулируемой величины с заданным и при наличии рассогласования выработки управляющего воздействия с целью его устранения.

Функциональная схема регулирующего блока:

ЗД – задатчик;

ЭС – элемент сравнения;

ОС – обратная связь;

х_зад – заданное значение регулируемой величины;

х_д – текущее значение регулируемой величины;

 = х_зад – х_д – рассогласование;

у – управляющее воздействие;

N – вспомогательная энергия

Классификация регуляторов:

1) по принадлежности к ветви ГСП: электрические, пневматические, гидравлические;

2) по использованию вспомогательной энергии:

а) без использования вспомогательной энергии – регуляторы прямого действия; для выработки управляющего воздействия используют энергию регулируемой среды (давление, перемещение);

б) с использованием вспомогательной энергии – регуляторы с усилением, формирующие сигнал на выходе за счет дополнительного источника энергии.

3) по характеру выработки регулирующего воздействия:

а) прерывистые (дискретного действия): релейные и импульсные;

(У первых сигнал изменяется скачком и имеет на выходе толко два значения: максимальное и минимальное (позиционные регуляторы). У вторых выходной сигнал принимает последовательность импульсов во времени.)

б) непрерывные.

4) По характеру изменения управляющего воздействия (по виду характеристики действия):

а) нелинейные (позиционные регуляторы);

б) линейные, которые разделяются по законам регулирования

5) По наличию обратной связи:

а) без обратной связи;

б) с обратной связью.

(Закон регулирования – математическая зависимость между значением выходного параметра ИУ).

6) По виду регулирующего параметра: (регуляторы температуры, давления расхода, уровня и т.д.)

Позиционные регуляторы.

Работают по принципу «вкл. – выкл.».Непрерывному изменению входной величины в них соответствует скачкообразное изменение выходного сигнала.

Их реализация осуществляется с помощью контактных и бесконтактных релейных элементов. Бывают двухпозиционные, трехпозиционные и реже многопозиционные регуляторы.

Рассмотрим статические характеристики этих регуляторов.

Структурная схема двухпозиционного регулятора

а) без зоны неодназначности б) с зоной неодназначности

Двухпозиционные регуляторы настраиваются таким образом, чтобы значения y и  отсчитывались в приращениях от условного равновесного состояния объекта регулирования, соответствующего расчетным значениям y_о и _о, принятым за начало отсчета. Аналитически статические характеристики можно записать следующим образом:

а) y = y_max при   0 б) y = y_max при    ;

y = - y_max при   0 при -     и ddt  0

y = - y_max при   - ;

при -     и ddt  0.

Из этих выражений и рисунков видно, что двухпозиционные регуляторы постоянно оказывают на объект регулирования воздействия отличные от значений необходимых для равновесного состояния системы (когда  = 0). В результате АСР с таким регулятором будет работать в автоколебательном режиме и ее переходный процесс будет колебательным в окрестностях ее равновесного состояния. Настраиваемая зона неоднозначности в них называется зоной возврата.

Статические характеристики трехпозиционных регуляторов выглядят следующим образом:

а) без зоны неоднозначности б) с зоной неоднозначности

где _нч - зона нечувствительности. Здесь имеется устойчивое нейтральное положение.

Из этих рисунков следует, что трехпозиционные регуляторы имеют устойчивое состояние (y = 0) в окрестностях равновесного состояния системы (когда  = 0), определяемых зоной нечувствительности и зоной неоднозначности. Если при очередном переключении регулятора в состояние y = 0 , отклонение регулируемой величины не будет выходить за зону нечувствительности регулятора, то в этом состоянии система регулирования может оставаться бесконечно долго. В системе не будет автоколебательных процессов (не подгорают контакты, увеличивается срок службы).

Позиционными эти регуляторы называются потому, что регулирующий орган занимает в двухпозиционных регуляторах два положения (позиции) – открыто – закрыто, а в трехпозиционных три положения: открыто, закрыто и промежуточное.

Позиционные регуляторы несложны по конструкции, надежны в работе, просты в обслуживании и настройке. Их применяют на объектах с малым инерционным запаздыванием. Часто встраивают во вторичные приборы.

Настроечные параметры: зона возврата и зона нечувствительности.

Линейные регуляторы непрерывного действия.

Выход у линейных регуляторов описывается дифференциальными уравнениями. Промышленностью серийно регуляторы, которые реализуют пять законов регулирования:

П – пропорциональные;

И – интегральные;

ПИ – пропорционально-интегральные;

ПД – пропорционально-дифференциальные;

ПИД – пропорционально-интегрально-диффиренциальные.

В этих регуляторах предусматривается возможность изменения некоторых коэффициентов их дифференциальных уравнений, называемых параметрами настройки регулятора. Такими параметрами настройки являются:

- коэффициент передачи (усиления) регулятора;

- постоянная времени интегрирования;

- постоянная времени дифференцирования;

- постоянная времени изодрома;

- постоянная времени предварения;

Изменяя значения этих параметров, меняют тем самым динамические характеристики регулятора с целью обеспечения качества работы АСР в целом. Значения, при которых достигаются лучшее качество работы системы, называются оптимальными.

Пропорциональные.

Передаточная функция W(р) = k (закон регулирования – y = k)

где  - рассогласование;

k – коэффициент усиления (передачи).

Настроечный параметр такого регулятора – предел пропорциональности:

 = (1k)  100 %,

который показывает, какому отклонению регулируемой величины (в % от максимально возможной для данной АСР) соответствует перемещение регулирующего органа из одного крайнего положения в другое.

Рассмотрим пропорциональный регулятор давления прямого действия

Промышленные П- регулирующие устройства состоят из усилителя, охваченного отрицательной обратной связью с коэффициентом усиления.

k₁

ε ЭС у

(отр. ОС)

k₂

В нашем примере усилительное звено имеет передаточную функцию W(p) = k₁ и

обратная связь коэффициент усиления k_2. Тогда передаточная функция регулятора определится следующим выражением ,

где W_п(p), W_о(p) – передаточные функции прямой и обратной связей соответственно.

Подставляя значения передаточных функций в выражение, получим

. Т.к. k₁  1, то 1/k₂  0 1.

Тогда .

Достоинство – быстродействие, недостаток - наличие статической ошибки.

Интегральные.

Передаточная функция W = 1/(Т_ир) или W = k/р (закон – y = (1/Т_и)  dt)

где Т_и – постоянная интегрирования, а 1/Т_и часто обозначают как коэффициент передачи k. Параметром настройки регулятора является постоянная времени интегрирования или k.

Рассмотрим интегральный регулятор давления прямого действия

Промышленные И- регулирующие устройства реализуются путем охвата инерционного звена первого порядка с коэффициентом усиления равным единице положительной статической обратной связью. (Статической обратной связью называется такая связь, передаточная функция которой равна 1) Т.е. структурная формула выглядит следующим образом:

ε ЭС у

(пол. ОС)

1

г де k₁ = 1.

Тогда передаточная функция регулятора

определится выражением ,

где W_п(p), W_о(p) – передаточные функции прямой и обратной связей

соответственно.

Подставляя значения передаточных функций

в выражение, получим .

Пропорционально-интегральные.

Передаточная функция W = k + 1/(Т_ир) (закон регулир-я – y = k + (1/Т_и)  dt)

Если при настройке регулятора установить большое значение Т_и , то он превратиться в П-регулятор.

ПИ-регулятор имеет следующую структурную схему

Т.е. промышленно эти регуляторы состоят из двух параллельно включенных звеньев: усилительного и интегрирующего.

Кроме этой на практике применяется следующая структурная схема ПИ-регулятора. Данная схема реализует закон вида

y = k[ + (1/Т_из)  dt] ,

где Т_из - время изодрома.

Передаточная функция регулятора W(p) = k[1 + 1/(Т_изр)] .

Т аким образом такой регулятор имеет взаимосвязанные параметры настройки статической и астатической частей по коэффициенту усиления k , т.к. при его настройке изменяться постоянная времени интегрирования. Как видно из приведенных выражений Т = Т_из / k . В первой модели при изменении коэффициента усиления скорость нарастания интегральной составляющей не изменится, во второй она изменится пропорционально.

Графически законы приведенных регуляторов и будут выглядеть следующим образом: 1 – классический вариант, 2 – с общим коэффициентом усиления.

И з графика видно, что время изодрома - это время за которое произойдет увеличение пропорциональной составляющей в два раза при действии только интегральной составляющей. Как видно из графиков быстродействие регуляторов с общим коэффициентом выше, причем скорость нарастания интегральной составляющей с увеличением коэффициента усиления будет возрастать.

Пропорционально-дифференциальные и пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы.

При наличии дифференциальной составляющей выходной сигнал регулятора изменяется относительного входного сигнала с некоторым опережением равным d/dt и дальнейшем его уменьшении со временем. Когда опережение становится равным 0, выходной сигнал не изменяется, т.е. y = 0.

Законы ПД и ПИД в дифференциальной форме имеют следующий вид

ПД – , ПИД – .

Передаточные функции этих регуляторов определяются следующими

выражениями , ,

Эти промышленные регуляторы образуются путем параллельного соединения динамических звеньев: ПД - пропорционального и дифференциального, ПИД - пропорционального, интегрального и дифференциального. Если у ПИД регулятора устанавливать k = 0, Т_и = 0 и Т_д = 0 в различном сочетании, то можно получать П, И, ПИ, ПД-законы регулирования.

Также, как и для закона ПИ- регулирования, структурные схемы ПД и ПИД-регуляторов могут быть реализованы с общим коэффициентом усиления.