Автоматическое регулирование и регуляторы

Задачу автоматического регулирования решает автоматический регулятор, который поддерживает значение регулируемой величины у равным или близким к заданному значению х_тг[. В САР заданное значение регулируемой величины является входной величиной х_вх, а фактическое - выходной х_вых. Структура САР состоит из взаимосвязанных элементов, каждый из которых выполняет свою функцию, а во взаимодействии они обеспечивают требуемый закон

Рис. 189.

изменения регулируемой величины. Структура САР, построенная по принципу отклонения, представлена на рис. 189.

Для построения САР используются два основных принципа автоматического регулирования: по отклонению регулируемой величины и по возмущению. При автоматическом регулировании по отклонению (рис. 189) действительное значение выходной величины х_вых сравнивается с заданным значением х_зад. В случае отклонения выходной величины от заданного значения (Ах ^ 0 ) на объект регулирования оказывается воздействие, которое приводит к устранению этого отклонения полностью или с заданной степенью точности. Это достигается следующим образом.

Значение х_вых воспринимается измерительным преобразователем (датчиком) ИП и преобразуется в такую же физическую величину, как и х_зад. Эта величина подается на элемент сравнения СЭ. Результат сравнения Ах = х_зад - х_вых, получаемый на выходе СЭ, поступает на усилитель У. Усиленный сигнал и подается на исполнительный механизм ИМ, который в зависимости от знака Ах отрабатывает поданное на него воздействие, перемещая в ту или другую сторону регулирующий орган РО и тем самым изменяя приток энергии или вещества к объекту управления ОУ. При этом перемещение РО должно быть такое, чтобы Ах -> 0, а следовательно, х_вых приближалось к заданному значению. Перемещение РО прекращается тогда, когда Ах будет допустимо малым или равным нулю. Наличие обратной связи является необходимым условием качественного регулирования, поскольку она позволяет получить отклонение регулируемой величины от заданного значения Х_вх независимо от причины возникновения этого отклонения. Прямая и обратная связь образуют замкнутый контур, поэтому такие системы называются замкнутыми САР. В САР могут быть дополнительные и местные обратные связи. Иногда эти связи могут возникнуть в результате естественного взаимного влияния элементов. Этот способ регулирования пригоден как для статических, так и для астатических объектов, и в настоящее время является основным. При его применении может быть получена высокая точность регулирования, недостатком же его является ограниченное быстродействие, определяемое инерционностью объекта.

При автоматическом регулировании по возмущению измерение регулируемого параметра не производится, а поддержание его заданного значения достигается путем воздействия на объект регулирования по результатам измерения возмущающих воздействий, вызвавших отклонение. В этих системах измерительный преобразователь ИП регулятора измеряет возмущающее воздействие Б. Структура САР, реализующая принцип построения по возмущению, представлена на рис. 190. Поскольку заранее известно, какое отклонение регулируемой величины х_вых вызовет данное значение возмущения Б и какое регулирующее воздействие g может компенсировать это отклонение, то регулятор, измерив значение Р, оказывает соответствующее регулирующее воздействие g для компенсации его нежелательного действия.

Возмущающее воздействие Б, измеренное датчиком ИП, преобразуется в пропорциональную ему величину х, которая подается через усилительно-преобразующий элемент У на исполнительный механизм ИМ. Последнее осуществляет регулирование объекта.

Рис. 190.

Достоинством принципа является быстрая реакция на возмущения. Однако в этих системах устраняется влияние только основных возмущений.

В последнее время все большее распространение находят комбинированные системы регулирования, в которых совмещаются принципы регулирования по возмущению и по отклонению.

В отдельных случаях могут использоваться простые разомкнутые системы регулирования (рис. 191), если заранее известно, в какое время и какое возмущение действует на объект управления. В таких системах управляющее воздействие задается в функции времени в соответствии с предполагаемым воздействием возмущений.

Примером таких систем являются системы регулирования температуры в сушильных и пропарочных камерах, в которых загрузка и выгрузка материала строго регламентируется по времени. Достоинство таких систем - простота реализации, а недостаток - невозможность учета ряда возмущений, действующих на объект. Разомкнутые САР применяются сравнительно редко в силу указанных недостатков. Замкнутые САР при разработке требуют меньше начальной информации, так как в них осуществляется регулирование по отклонению регулируемой величины независимо от причины, вызвавшей это отклонение.

Требуемая зависимость между изменением регулируемого параметра и перемещением регулирующего органа обеспечивается автоматическим регулятором. Автоматические регуляторы по характеру действия разделяются на следующие виды: позиционные, статические (пропорциональные), астатические (интегральные), изодромные (пропорционально-интегральные), изодромные с первой производной (пропорционально-интегрально-дифференциальные).

Рис. 191.

При позиционном регулировании регулируемый параметр все время изменяется от минимального до максимального значения. Для позиционного регулирования технологических параметров широко используются автоматические компенсаторы (мосты, потенциометры и др.) со встроенными контактными устройствами, позволяющими осуществлять двух- и трехпозиционное регулирование.

Астатическими регуляторами называют такие, у которых при отклонении регулируемого параметра от заданного значения регулирующий орган перемещается в одном направлении. При отклонении регулируемой величины от заданного значения астатический регулятор перемещает регулирующий орган до тех пор, пока не восстановится ее значение до уровня задания. В астатических САР отклонение регулируемой величины от заданного значения в установившемся режиме равно нулю при любой величине внешнего воздействия. Астатические регуляторы имеют большое время переходного процесса и может возникнуть перерегулирование в переходном процессе.

Статические регуляторы - это такие, у которых перемещение регулирующего органа происходит пропорционально отклонению регулируемого параметра от заданного значения. Статическая САР имеет в установившемся состоянии определенную зависимость между величиной отклонения регулируемого параметра от заданного значения и величиной возмущающего воздействия. В статических САР регулирующее воздействие однозначно связано с отклонением регулируемой величины от заданного значения и всегда имеется статическая ошибка регулирования, зависящая от величины и знака внешнего воздействия.

Изодромные регуляторы обладают одновременно свойствами пропорциональных и интегральных регуляторов. Действие регуляторов можно рассматривать как совместное действие статического и астатического регуляторов. Наличие упругой (изодромной) обратной связи, действие которой проявляется в переходном процессе, позволяет повысить качество регулирования. Изодромные регуляторы применяются при регулировании объектов с быстро и резко меняющимися нагрузками и при наличии передаточного запаздывания.

Изодромные регуляторы с предварением, или ПИД-регулято- ры, обладают одновременно свойствами статического и астатического регуляторов с дополнительным воздействием по скорости изменения регулируемой величины. В этих регуляторах дополнительно вводится обратная связь по скорости изменения регулируемой величины. ПИД-регуляторы используются для объектов с большим запаздыванием.