Опубликовано: Март 26, 2012

Автоматические регуляторы

Автоматически действующее устройство, предназначенное для регулирования какого-либо параметра объекта, называется автоматическим регулятором.

Автоматические регуляторы могут быть прямого (непосредственного) и непрямого (косвенного) действия (рис. 7).

Автоматическим регулятором прямого (непосредственного) действия называют простейший регулятор, чувствительный (первичный) элемент которого может непосредственно воздействовать на регулирующий (исполнительный) орган без усилительно-преобразующего устройства и дополнительного источника энергии. Такой регулятор работает исключительно за счет энергии самого регулируемого объекта.

Примером автоматического регулятора прямого действия может служить система стабилизации уровня воды в баке (рис. 8,6). Регулируемым объектом является бак 1, регулируемым параметром - высота уровня воды Н. Значение регулируемого параметра зависит от соотношения между величинами поступления воды Qi и ее расхода Q2. Стабилизация этого параметра достигается регулирующим органом - заслонкой 2, управляемой чувствительным элементом - поплавком 5 через рычаг 3 и задатчик 4.

Понижение уровня воды вызывает опускание поплавка, а следовательно, раскрытие заслонки 2, т. е. увеличение поступления воды. При повышении уровня происходит обратный процесс.

Автоматическим регулятором непрямого (косвенного) действия называют такой, в состав которого входит усилительно-преобразующее устройство, питаемое извне от дополнительного источника энергии.

Схема регулятора непрямого действия, предназначенного для регулирования уровня воды в баке 1, приведена на рис. 9,6. Заслонка 2, регулирующая количество поступающей воды Qb управляется чувствительным элементом - поплавком б не за счет энергии воды, а за счет дополнительной электрической энергии, привлекаемой для работы преобразующего органа - потенциометра 4 и усилительного - электродвигателя 3 (привода регулирующего органа).

У рассматриваемого регулятора при среднем положении движка потенциометра, присоединенного к рычагу 5, высота уровня воды равна заданному значению Я, и электродвигатель 3 не работает. При понижении уровня воды поплавок, опускаясь, передвигает ползунок потенциометра в сторону знака плюс, а электродвигатель приоткрывает заслонку 2. При повышении уровня движок перемещается в сторону знака минус, что вызывает вращение электродвигателя в противоположном направлении, а следовательно, прикрытие заслонки.

В зависимости от способа перемещения регулирующего органа автоматические регуляторы могут быть непрерывного и прерывистого действия.

У автоматических регуляторов непрерывного регулирования регулирующий орган занимает, кроме крайних, любое промежуточное положение в зависимости от протекания процесса. Примерами таких регуляторов могут служить приведенные на рис. 8 и 9. У автоматических регуляторов прерывистого регулирования регулирующий орган занимает только два крайних положения (у двухпозиционных) или два крайних и несколько промежуточных (у многопозиционных).

Примером двухпозиционного прерывистого регулятора является автоматический регулятор температуры, приведенный на рис. 6,6. Здесь регулирующий орган (вентиль регулирования- подачи пара) может быть открыт или закрыт, т. е. занимать, только два крайних положения.

Характер протекания процесса непрерывного регулирования- определяется законом регулирования, т. е. зависимостью выходной величины автоматического регулятора от входной.

Закон регулирования определяется управляющим устройством регулятора. По этому признаку автоматические регуля-- торы подразделяются на статические и астатические. Их особенности можно рассмотреть на примере автоматических регуляторов уровня воды (см. рис. 8 и 9).

Статическим или пропорциональным называют такой регулятор, который обеспечивает регулирующее воздействие, пропорциональное отклонению регулируемой величины:

Это воздействие достигается включением в состав регулятора статических элементов и использованием жестких обратных связей. В статическом регуляторе уровня воды, изображенном на рис. 8,6, значение регулируемого параметра не остается постоянным, а зависит от величины возмущающего воздействия. Для поддержания уровня на одной и той же высоте необходимо, чтобы поступление воды равнялось ее расходу Поступление воды зависит от раскрытия заслонки 2, т. е. от положения поплавка 5. Чем больше расход воды, тем больше- должна быть приоткрыта заслонка и тем ниже при установившемся режиме работы регулятора будет находиться поплавок, с уменьшением расхода воды положение поплавка выше. Таким образом, уровеньводы в баке зависит от величины расхода воды т. е. от величины возмущения, и колеблется в некоторых небольших пределах относительно среднего значения.

Работа статического регулятора всегда отличается некоторой постоянной погрешностью. К положительным особенностям его относится малая склонность к колебаниям регулируемого параметра. Статические регуляторы, как более простые по устройству, применяются в тех случаях, когда небольшая погрешность в их работе не оказывает существенного влияния нерегулируемый объект.

В астатическом регуляторе выходная величина у (регулирующее воздействие) пропорциональна интегралу от отклонения регулируемой величины:

В таком регуляторе (см. рис. 9,6) значение регулируемого параметра не зависит от величины возбуждения. В рассматриваемом примере это обеспечивается тем, что между чувствительным элементом - поплавком 6 и регулирующим органом - заслонкой 2 отсутствует жесткая связь. При установившемся режиме и различных значениях расхода Q2 воды заслонка будет занимать разные положения, а поплавок - всегда одно и то же, отвечающее заданному значению H уровня воды в баке.

Астатический регулятор в отличие от статического лишен статической погрешности регулирования. Однако он склонен к колебательным процессам и не всегда устойчив в работе.

Чтобы автоматический регулятор был пригоден для практического использования, необходимо обеспечить устойчивость системы и приемлемое качество регулирования.

Устойчивость системы автоматического регулирования определяется рядом показателей, отображающих характер переходных процессов при регулировании. В специальной литературе приводятся критерии и методы анализа устойчивости регуляторов .

Под качеством процесса регулирования понимают соответствие между заданным и фактическим изменением регулируемого параметра. Обычно это качество определяется следующими показателями:
1) разницей между заданной и фактической величинами регулируемого параметра в установившемся режиме (ошибкой системы); 2) перерегулированием (забросом), т. е. наибольшим отклонением фактической величины параметра от заданной; 3) временем регулирования (быстродействием системы), которое принимается равным продолжительности переходного процесса от его начала до момента, когда регулируемый параметр приобретает величину, близкую (обычно 95-97%) к значению в установившемся режиме; 4) числом колебаний регулируемого параметра в заданное время.

Повысить устойчивость и качество регулирования систем автоматического регулирования можно двумя способами: путем изменения параметров регулируемого объекта или регулятора и путем изменения структурной схемы регулятора. Практически обычно изменяют структурную схему регулятора, для чего вводят дополнительные звенья. Устройства автоматических регуляторов, состоящие из таких звеньев, называются корректирующими. Часто они представляют собой разного рода дополнительные (внутренние) обратные связи.

Из автоматических регуляторов с корректирующими устройствами наиболее распространены изодромный и с воздействием по производной (с предварением).

Таким образом, эти регуляторы обладают хорошими динамическими свойствами статических регуляторов в сочетании с хорошими статическими свойствами (например, отсутствие установившегося отклонения) астатических регуляторов.

Такое сочетание достигается с помощью гибких обратных связей, действующих только во время переходных процессов для затухания колебаний и отсутствующих в установившемся режиме.

Схема изодромного регулятора с гибкой обратной связью в виде катаракта для автоматического регулирования температуры приведена на рис. 10. Температура в камере 18 измеряется термометром сопротивления 17, включенным в одно из плеч измерительного электрического моста 15. В одну из диагоналей моста включена обмотка чувствительного поляризованного реле 9, а питание второй диагонали осуществляется от источника постоянного напряжения. Стабилизируемая температура устанавливается задатчиком 16, который перемещает движок одного из сопротивлений R электрического моста.

При температуре в камере выше заданной реле 9 замыкает контакт 10, включающий обмотку 8 реверсивного двигателя 7 постоянного тока. Двигатель вращает валик 2, соединенный с вентилем 1 паропровода, уменьшая тем самым подачу пара в калорифер 19 камеры.

При понижении температуры в камере направление тока в обмотке поляризованного реле меняется на противоположное и реле замыкает контакт 11, включающий обмотку 6. Двигатель начинает вращаться в обратную сторону, и валик 2 открывает вентиль 1, вследствие чего подача пара в калорифер 19 увеличивается.

Изодромное устройство для улучшения динамической характеристики регулятора осуществлено с помощью катаракта (гидравлического тормоза) 4 с пружиной 5. При вращении валика 2 перемещается рычаг 3, а вместе с ним и катаракт 4 с движком 12 потенциометра 14. Благодаря этому изменяется соотношение между сопротивлениями, включенными в плечи моста 15, и на обмотку реле 9 поступает дополнительный корректирующий сигнал. Жесткая связь рычага 3 с движком 12 существует лишь при быстрых перемещениях рычага в переходных процессах, так как тогда малое отверстие демпфера 13 препятствует переходу масла из одной полости катаракта в другую и шток с цилиндром катаракта перемещается как одно целое. По истечении некоторого времени,когда переходный процесс закончится, пружина 5 катаракта возвращает поршень и движок 12 в исходное положение, пропуская масло через демпфер 13 из одной полости цилиндра катаракта в другую. Таким образом, по окончании процесса регулирования равновесие моста, заданное задатчиком 16, вновь восстанавливается.

Если регулируемый объект отличается большой емкостью (постоянная времени велика), применение изодромного регулятора с гибкой обратной связью не обязательно. В этом случае можно использовать статические регуляторы с жесткой обратной связью (см. пунктир на рис. 10).

Регуляторы с воздействием по производной отклонения осуществляют регулирование по отклонению и его производной, что позволяет учитывать характер изменения регулируемой величины. Поэтому их называют также р е- гуляторами с предварением.

Эта особенность существенна при регулировании быстропротекающих процессов. Закон регулирования таких регуляторов можно выразить уравнением

Регуляторы с воздействием по производной подавляют колебания и повышают быстроту действия системы, улучшая таким образом качество переходных процессов.

Эффект улучшения качества переходных процессов в регуляторах с предварением можно проследить на рис. 11. Предположим, что изменение регулируемого параметра во времени выражается сплошной кривой(рис. 11,а).

Рассмотренный ранее статический пропорциональный регулятор без корректирующих устройств уменьшает рассогласование между заданной и фактической величинами параметров не только пока оно имеется, но и (за счет инерции) некоторое время после его устранения. Поэтому такой регулятор переключается на действие в обратном направлении не в точке В, когда рассогласование равно нулю, а несколько позже, на участке ВС, оказывая некоторое время воздействие, противоположное требуемому.

Регулятор с предварением действует иначе. На участке возрастания отклонения регулируемого параметра от заданного действие регулятора форсируется, так как в начале переходного процесса отклонение и производная имеют одинаковые знаки, а производная имеет наибольшее значение, когда Ax близко к нулю. Благодаря этому наибольшее отклонение параметра в начале переходного процесса уменьшится, на- прішер точка А займет положение Ai. На участке AB, в связи с уменьшением отклонения регулируемого параметра, производная меняет знак. Поэтому регулятор подает воздействие, равное не сумме, а разности сигналов по отклонению и производной, т. е. меньшее. Если регулятор без предварения получил команду переключения на действие в противоположном направлении вблизи точки В, то регулятор с предварением получает такую команду раньше, например вблизи точки Е, когда сигналы по отклонению и производной равны. Переключение регулятора на действие в противоположном направлении до прекращения отклонения параметра предотвращает это отклонение в отрицательную сторону. Переходный процесс может стать апериодическим, как показано пунктиром на рис. 11,а .

Корректирующие устройства, применяемые для дополнительного воздействия регулятора на объект, пропорционального производной от регулируемого параметра, могут быть различны. Разными способами может быть также осуществлено их включение в схему.

На рис. 11,в приведена элементная схема системы автоматического регулирования с воздействием по производной. Здесь корректирующее устройство представляет собой дифференцирующий элемент, включенный последовательно в основную цепь воздействия звеньев системы. На входэтого звена подается отклонение регулируемого параметра, а на выходе получается величина, равная сумме двух слагаемых, из которых первое пропорционально отклонению регулируемого параметра, а второе - производной от этого отклонении. Выходные параметры преобразующего, исполнительного и регулирующего элементов обозначены функциями цуг от времени і.

На рис. 11,г дана принципиальная схема автоматического регулирования скорости вращения вала электрического двигателя постоянного тока, соответствующая элементной схеме на рис. 11,в. Дифференцирующий элемент (показан пунктиром) представляет собой контур сопротивлений RiR2 и емкости С, собранный таким образом, что

, т. е.

В схеме измерительном элементом является тахогенератор, его напряжение пропорционально числу оборотов п электродвигателя Д. Это напряжение сравнивается с заданным напряжением на потенциометре задатчика.

Выходное напряжение U3 дифференцирующегоконтура подается на усилитель 1, аусиленное напряжение приложено к обмотке возбуждения электромагнитного усилителя ЭМУ, используемого в качестве регулирующего элемента системы.

Система работает следующим образом. При увеличении нагрузки 2 электродвигателя Д скорость вращения п его вала уменьшается. В связи с этим уменьшается величина вырабатываемого тахогенератором напряжения и, следовательно, увеличивается напряжение рассогласования системы. В результате последнего обстоятельства увеличивается напряжение на обмотках возбуждения ЭМУ, что приводит к возрастанию силы тока /, протекающего через якорь двигателя Д.

Увеличение силы тока двигателя обеспечивает увеличение вращающего момента Л1вп - кі, что приводит к возрастанию скорости вращения вала двигателя.

Так как величина производной будет наибольшей в самом начале переходного процесса (когда близко к 0), регулятор начнет действовать раньше, чем наступит необходимое рассогласование регулируемого параметра. Действие регулятора в начале переходного процесса будет форсированным, так как отклонение параметра и производная имеют одинаковые знаки.
В середине переходного процесса, когда отклонение параметра достигает наибольшего значения, производная превращается в нуль, поэтому она способствует уменьшению перерегулирования параметра.

В конце переходного процесса производная вновь приобретает наибольшее значение, однако с противоположным знаком. Это способствует уменьшению длительности переходного процесса, который может стать апериодическим.

Автоматические регуляторы непрямого действия, предназначенные для регулирования какого-либо параметра по заранее заданной программе, вместо ручной настройки оборудуются программными задающими устройствами (рис. 12).

В случае применения электрических чувствительных элементов и усилительно-преобразующего устройства в качестве программного может быть использован часовой механизм 1, приводящий во вращательное движение профилированный кулачок 2, воздействующий на движок потенциометра 3 эталонного напряжения (рис. 12,6). Форма профилированного кулачка соответствует программе регулирования.

Регулирование с изменением значения регулируемой величины по заранее заданному закону называется программным регулированием.

При программном регулировании автоматический регулятор «стремится» ликвидировать рассогласование между напряжением Ui на выходе чувствительного элемента и переменным напряжением UQ задающего устройства. «Отрабатывая» задаваемое на входе переменное напряжение U0, система осуществляет соответственное изменение регулируемой величины (например, температуры Ѳ) на выходе.

Автоматические регуляторы непрямого действия можно выполнять универсальными, пригодными для регулирования разных параметров процессов. Например, к измерительной системе таких регуляторов может быть присоединен любой воспринимающий (первичный) элемент, вводящий необходимое воздействие и интенсивность. К выходу исполнительного органа регулятора могут быть присоединены разные регулирующие органы в соответствии с. видом и интенсивностью выходного воздействия .

отрывки из книги Автоматизация технологических процессов в деревообработке, Н. В. МАКОВСКИЙ (внимание! возможны ошибки распознавания)

От: LidiaZaiceva,  11545 просмотров

- Присоединяйтесь! Ваше имя: (или войдите через соц. сети ниже)

Автоматическим регулятором называется устройство, обеспечивающее в системах автоматического регулирования (АСР) поддержание технологической величины объекта, характеризующей протекание в нем процесса около заданного значения путем воздействия на объект.

Заданное значение может иметь постоянную величину (в системах стабилизации) или изменяться по определенной программе (в системах программного регулирования).

Структурная схема регулятора может быть представлена как совокупность двух элементов (рис.1): элемента сравнения 1 и элемента 2, формирующего алгоритм (закон) регулирования.

На элемент сравнения 1 поступают два сигнала у и у зд, пропорциональные, соответственно, текущему и заданному значениям регулируемой величины. Сигнал у формируется измерительным преобразователем, а сигнал у зд – задатчиком или программным устройством.

Сигнал рассогласования

(1)

поступает в элемент 2, который вырабатывает выходной сигнал регулятора, направляемый на исполнительное устройство.

Регуляторы могут быть с прямой и обратной характеристикой. Если с увеличением у относительно у зд выходная величина u увеличивается, то регулятор имеет прямую характеристику, а если уменьшается, то – обратную характеристику. Переход с прямой характеристики на обратную и наоборот в регуляторах осуществляют при помощи специального переключателя.

Отрицательную обратную связь в замкнутом контуре АСР формируют посредством применения регуляторов с прямой или обратной характеристикой.

Законом регулирования называется зависимость между изменением выходной величины регулятора u и рассогласованием текущего у и у зд значений регулируемой величины.

По законам регулирования аналоговые регуляторы делят на пропорциональные, пропорционально-интегральные, пропорционально-дифференциальные и пропорционально-интегрально-дифференциальные.

Закон регулирования пропорционального регулятора имеет вид

(2)

где - коэффициент передачи (усиления) регулятора; u 0 -выходная величина регулятора в начальный момент времени.

Коэффициент передачи регулятора является параметром настройки регулятора. Изменяя ,можно изменить степень воздействия регулятора на объект.

Структурная схема П-регулятора представляет звено с большим коэффициентом усиления (k =10000¸40000), охваченное по отрицательной обратной связи усилительным звеном с коэффициентом k oc .

Передаточная функция П-регулятора, приведённого на рис. 2, равна

(3)

Из выражения (3) видно, что чем меньше коэффициент k ос (степень воздействия отрицательной обратной связи), тем больше изменяется выходная величина регулятора при определенном рассогласовании.

Динамические характеристики П-регулятора при ступенчатом изменении входного сигнала и различных значениях k p приведены на рис. 3.

Согласно уравнению (2) выходной сигнал регулятора для зависимостей 1 и 2 будет равен:

(3)
К достоинствам пропорционального регулятора следует отнести его безынерционность (или быстродействие). Это выражается в том, что его выходная величина изменяется одновременно с изменением входной величины. Оптимальное значение параметра настройки регулятора, как и для других регуляторов определяется выбранным переходным процессом АСР, заданными параметрами качества регулирования и устанавливается в зависимости от свойств объекта регулирования.

Недостатком П-регулятора является то, что при работе в замкнутом контуре АСР регулятор не возвращает регулируемую величину к заданному значению, а приводит к новому положению равновесия со статической ошибкой регулирования пропорциональной коэффициенту передачи по каналу «возмущающее воздействие – регулируемая величина» и обратно пропорциональной k p . Увеличение k p при работе на объектах с запаздыванием приводит к неустойчивому режиму работы АСР.

Выходная величина пропорционально-интеграль­ных регуляторов (ПИ-регуляторов) изменяется под действием суммы двух составляющих: пропорциональной и интегральной.

Закон регулирования ПИ-регуляторов с независимыми параметрами настройки описываются равенством:

, (4)

где k p – коэффициент передачи регулятора;

Т и – время интегрирования.

По физическому смыслу Т и – это время, в течение которого изменение выходного сигнала регулятора под действием интегральной составляющей достигает ступенчатого изменения его входной величины.

ПИ-регулятор имеет два параметра настройки – k p и Т и.

Динамическая характеристика ПИ-регулятора (рис.4) представляет сумму пропорциональной и интегральной составляющих.

Из рисунка видно, что с увеличением Т u степень воздействия интегральной составляющей уменьшается.

Структурная схема ПИ-регулятора с независимыми параметрами настройки приведена на рис. 5.

Передаточная функция этого регулятора описывается уравнением (5)

В промышленности широко используются также регуляторы с зависимыми параметрами настройки (изодромные регуляторы), уравнение динамики которых имеет вид:

, (6)

где k p –коэффициент передачи регулятора;

Т из –время изодрома регулятора.

По физическому смыслу Т из – это время, в течение которого при ступенчатом изменении входной величины выходная величина регулятора под действием интегральной составляющей изменяется на такую же величину, как и под действием пропорциональной составляющей.

Динамические характеристики изодромного регулятора приведены на рис.6.

Ответ(22()

Применяемые в настоящее время в промышленности автоматические регуляторы можно классифицировать по ряду наиболее характерных признаков:

1. По назначению (виду регулируемой величины):

Регуляторы одной регулируемой величины (температуры, давления, состава);

Универсальные регуляторы,)Конец.

2. По способу действия (т.е. характеру воздействия на регулирующий орган):

Регуляторы прямого действия, которые не требуют постороннего источника энергии;

Регуляторы непрямого действия, у которых перемещение регулирующего органа производится за счёт энергии, подводимой извне.

3. По виду регулирования:

Стабилизирующие регуляторы, поддерживающие постоянное во времени значение физических величин;

Программные регуляторы, изменяющие значение регулируемых величин по заданной программе;

Следящие регуляторы, поддерживающие значение регулируемых величин в зависимости от изменения каких-либо других величин;

Самонастраивающиеся регуляторы, поддерживающие оптимальное значение регулируемых величин.

4. По времени действия:

Регуляторы непрерывного действия, у которых при непрерывном изменении регулируемой величины регулирующий орган перемещается непрерывно;

Регуляторы прерывистого (дискретного) действия, у которых при непрерывном изменении регулируемой величины регулирующий орган перемещается периодически только в случае достижения регулируемой величиной определённых значений или при прохождении определённого промежутка времени.

5. По роду используемой энергии:

Электрические регуляторы;

Гидравлические регуляторы;

Пневматические регуляторы:

Комбинированные регуляторы (электропневматические и электрогидравлические).

6. По закону регулирования (характеру регулирующего воздействия):

Позиционные (Поз-закон);

Пропорциональные или статические (П-закон);

Интегральные или астатические (И-закон);

Пропорционально-интегральные или изодромные (ПИ-закон);

Пропорциональные с предварением или пропорционально-дифференциальные (ПД-закон);

Изодромные с предварением или пропорционально-интсгрально-дифференциальные (ПИД-закон).

3.1.1. Классификация регуляторов по назначению (виду регулируемой величины).

АР подразделяются на регуляторы температуры, давления, уровня, частоты вращения, расхода и др.

3.1.2. Классификация регуляторов по принципу действия

По принципу действия (по характеру воздействия на регулирующий орган) автоматические регуляторы подразделяют на регуляторы прямого и непрямого (косвенного) действия.

Ответ23(

Регуляторы прямого действия . Это такие регуляторы, в которых регулирующий орган перемещается только за счет энергии, отбираемой измерительным устройством из объекта регулирования.

Пояснение. Такие регуляторы применяются для регулирования отдельных параметров. Они используются в тех случаях, когда по условиям эксплуатации нет необходимости в высокой точности регулирования, а для приведения в действие регулирующего органа не нужно больших усилий и чувствительный элемент обладает необходимой для этого мощностью.

Регуляторы прямого действия дешевы, просты по конструкции, надежны в эксплуатации и не требуют высокой квалификации обслуживающего персонала. Их область применения ограничивается простейшими объектами регулирования с благоприятными динамическими характеристиками.

Пример. Регулятор температуры прямого действия.

Рисунок 3.1. Регулятор прямого действия

а) конструкция регулятора, б) функциональная схема;

Автоматический регулятор (АР) температуры (схема конструкции которого представлена на рис. 3.1,а, а его функциональная схема на рис.3.1,б,) воспринимая изменения регулируемой величины у т (текущее значение температуры) формирует сигнал рассогласования
управляющий регулирующим органом РО с целью изменения регулирующего воздействия х р на объект регулирования.

Пояснение. Назначение элементов регулятора и принцип его действия состоит в следующем.

Измерительное устройство (термобаллон с легкокипящей жидкостью) воспринимает изменение регулируемой величины у Т (температуры) и преобразует его в параметр y ’ T (давление в манометрической системе), удобный для воздействия на другие элементы. С повышением температуры у т часть жидкости в термобаллоне выкипает и давление в y ’ T на донышко сильфона увеличивается, т.е. температура у Т преобразуется в давление y ’ T .

Задающее устройство ЗУ устанавливает параметр у зад , соответствующее требуемому протеканию технологического процесса. Установка у зад производится вручную Р оператором. В конструкции регулятора роль ЗУ выполняет сжатая пружина, натяжение которой осуществляется витком задания.

Элемент сравнения ЭС (называемый иногда сумматором) вырабатывает сигнал рассогласования
. Конструктивно элемент сравнения выполнен в виде рычага, который воспринимает разность сил давления у’ T и y зад вырабатываемых соответственно сильфоном и пружиной.

Одной из основных особенностей регуляторов прямого действия является то, что они не могут обеспечить постоянным значение регулируемой величины на всех установившихся режимах работы объектов.

Пример. Паровой котел (см. рис.1.5) работает в установившемся режиме при минимальном отборе пара G п  min. Это означает, что подача воды в котел должна быть минимальной, т.е. питательный клапан КП максимально прикрыт. Поплавок, а значит и уровень Н воды должны занимать некоторое повышенное значение. Напротив, в установившемся режиме при максимальном отборе пара G п  max, клапан КП должен быть открыт максимально, что возможно при более низком положении поплавка и уровня. Таким образом данному регулятору присуща падающая статическая характеристика, т.е. он работает с положительной неравномерностью регулирования (характеристика вида 1, рис.2.10).

Пояснение. Очевидно, если по условиям эксплуатации объектов требуется, чтобы на всех нагрузках регулируемые величины были строго постоянны, подобные регуляторы применяться не могут. Конструктивно у таких регуляторов можно уменьшать величину неравномерности регулирования, но сделать ее равной нулю невозможно. Если к тому же автоматизируемый объект не обладает свойством самовыравнивания, то чрезмерное уменьшение приведет к неустойчивой работе регулятора.

( Регуляторы непрямого действия .

Конструкция регулятора непрямого действия и его функциональная схема приведены на рис. 3.2. Если мощности сигнала ∆у недостаточно, для воздействия на регулирующий орган (РО), то используются регуляторы непрямого действия. Для перемещения РО используется исполнительное устройство ИУ, подключающее к регулятору внешний источник электрической энергии Е.

В качестве ИМ используется электромагнитное реле (магнитный пускатель), воздействующий на перемещение регулирующего органа РО.

Рисунок 3.2. . Регулятор непрямого действия

а) конструкция регулятора, б) функциональная схема; ;) Конец.

АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ

Управление, сопровождающееся непрерывным контролем, называют регулированием, а параметр, которым необходимо управлять, т. е. регулировать, - регулируемой величиной.

Регулирование, при котором управление осуществляется различными устройвами без вмешательства человека, называют автоматическим регулированием, а совокупность устройств, состоящих из измериельного элемента (первичного преобразователя), исполнительного механизма и регулирующего органа, называют автомашинным регулятором.

Система автоматического регулирования (рис. 1) представ­ит собой совокупность отдельных элементов, направленно действующих друг на друга . В сравнивающем устройстве происходит сравнение текущего значения регулируемой величины X, которое поступает по главной обратной связи, с ее заданным значением X 0 .

Рис. 1 Схема системы автоматического регулирования

КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ

Регуляторы разделяются по следующим признакам.

1.. По способу действия : регуляторы прямого и непрямого (косвенного) действия. У регуляторов прямого действия регули­рующий орган перемещается за счет энергии Самого объекта, воз­действующего на чувствительный элемент. У регуляторов непря­мого действия регулирующий орган перемещается за счет допол­нительного источника энергии (электроэнергия, сжатый воздух, жидкость под давлением).

2. По роду действия : регулятор прерывистого (дискретного) и непрерывного действия.

В регуляторах непрерывного действия непрерывному измене­нию регулируемого параметра соответствует непрерывное пере­мещение регулирующего органа, между входной и выходной ве­личинами существует непрерывная функциональная связь.

В регуляторах прерывистого действия непрерывной функцио­нальной связи нет. Прерывистые системы можно разделить на две основное группы: релейные и импульсные.

Релейной системой автоматического регулирования называется такая система, которая в своем составе среди основных элементов имеет хотя бы один релейный элемент. Под релейным элементом подразумевается такой элемент системы, в котором непрерывному изменению входной величины соответствует скачкоообразное изме-

нение выходной величины, появляющейся лишь при вполне определенных значениях входной величины (электромагнитное реле).

Импульсной системой автоматического регулирования назы­вается такая система, которая в своем составе имеет хотя бы один-импульсный элемент. Импульсный элемент преобразует непрерыв­ное входное воздействие в ряд кратковременных импульсов,появ-ляющихся через определенные промежутки времени.

3. По роду энергии : электрические пневматические, гидравлические, элек­трогидравлические и электропневмати­ческие.

По закону регулирования :

а) пропорциональнее регуляторы, или П-регуляторы (статические);

б) интегральные регуляторы или И-регуляторы (автоматические);

в) пропорционально – интегральные регуляторы, или ПИ-регуляторы (изодромные);

г) пропорционально-дифференциальные регуляторы, или ПД-регуляторы (пропорциональные регуляторы с пред­варением);

д) пропорционально - интегрально-дифференциальные регуляторы, или
ПИД-регуляторы (изодромные регуля­торы с предварением);

По назначению : регуляторы тем­пературы, давления, расхода и т. д.

В зависимости от выполняемой функции: регуляторы соот­ношения, программные, самонастраивающиеся" стабилизиру­ющие.

8. Регулятор температуры прямого действия. Регулятор, у кото­рого регулирующий орган перемещается за счет энергий самого объекта, воздействующего на чувствительный элемент, называется регулятором прямого действия. Системы регулирования, исполь­зующие регуляторы прямого действия, называются системами прямого регулирования.

Рассмотрим работу регулятора температуры прямого действия типа РПД (рис. 1. Этот регулятор состоит из термометрической системы и клапана.

Термометрическая система регулятора представляет собой паровой манометрический термометр, в состав которого входят термобаллон 1, капилляр 2 и сильфон 3. Термометрическая си­стема частично заполнена низкокипящей жидкостью, температура кипения которой ниже нижнего предела регулируемой темпера­туры.

При погружении термобаллона в измеряемую среду в термомет­рической системе устанавливается давление паров рабочей жидкости, величина которого соответствует температуре измеряемой среды. Давление, возникающее в термобаллоне, передается через пар рабочей жидкости по капилляру к сильфону. В сильфоне раз­вивается усилие, пропорциональное его эффективной площади; это усилие уравновешивается усилием пружины 4. Если температура регулируемой среды выше заданного зна­чения, то усилие, развиваемое сильфоном 5, больше усилия пру­жины 4, вследствие чего сильфон сжимается и при помощи штока 5 перемещает золотник 6 регулирующего клапана вниз. При этом проходное сечение клапана и количество нагревающего вещества, проходящего через клапан, уменьшаются; в результате темпера­тура среды понижается и достигает заданного значения. При понижении температуры регулируемой среды сильфон растягива­ется и клапан приоткрывается, увеличивая подачу нагревающего вещества, вследствие чего температура повышается до заданного значения.

Регуляторы, которые воз­действуют на регулирующий орган через усилительное устройство и исполнительный механизм, питаемый от внешнего источника энергии, называются регуляторами непрямого действия .

В регуляторе непрямого действия при изменении регулируе­мой величины усилие или энергия, возникающие в чувствитель­ном элементе, приводят в действие впомогательное устройство, перемещающее регулирующий орган за счет энергии посторон­него источника (электрического тока, жидкости под давлением, сжатого воздуха).

Системы регулирования, использующие регуляторы непря­мого действия, называются "системами непрямого регулирования.

На рис. 1 приведена схема непрямого регулирования уровня жидкости в сосуде. Измерительное устройство (поплавок 1) при помощи рычагов связано с подвижным электрическим контактом.2. Подвижный контакт может замыкаться с одним из неподвижных контактов: Б (больше) и М (меньше). В зависимости от того, с каким из этих контактов замкнется подвижный контакт, элект­родвигатель 3 вращается в ту или другую сторону. Через червяч­ный редуктор и систему рычагов электродвигатель открывает или закрывает регулирующий орган - клапан 4, установленный на линии подвода жидкости Q 1 в бак.

Если расход жидкости Q 2 из бака увеличится, то уровень воды в в нем уменьшится и поплавок 1 опустится. При этом подвижный контакт 2 коснется верхнего неподвижного контакта Б, электри­ческая цепь замкнется, двигатель включится и будет вращаться в направлении открытия регулирующего клапана 4, тем самым увеличивая приток воды в бак. Работа регулятора будет продол­жаться до тех пор, пока в баке не восстановится заданный уро­вень жидкости я подвижный контакт 2 не установится между неподвижными контактами Б и М, в результате чего цепь двига­теля будет отключена.

В описанном регуляторе непрямого действия перемещение регулирующего органа - клапана - производится электрическим исполнительным механизмом, использующим энергию от внешнего источника.

Регуляторы непрямого действия обладают высокой чувствительностью, развивают большое усилие и позволяют осуществить дистанционное управление регулирующим органом.

Похожая информация.

Закон	Дифференциальное уравнение	Передаточная функция	Передаточная характеристика	АФЧХ	Параметры настройки
П
И
ПД					,
ПИ					,
ПИД					, ,

Пропорциональный (П) регулятор. Он перемещает РО на значение x пропорциональное отклонению регулируемой величины у or заданною значения.

Дифференциальное уравнение регулятора (p означает запись в операторной форме)

Таким образом в динамическом отношении П-регулятор подобен безынерционному (пропорциональному) звену.

Параметр настройки П-регулятора - коэффициент пропорциональности , равный перемещению РО x при отклонении регулируемой величины у на единицу ее изменения.

При выборе структурной схемы любого реального регулятора, в том числе и пропорционального, решающее значение имеет передаточная функция (ПФ) исполнительного механизма, которая может соответствовать ПФ интегрирующего или пропорционального звена. К первой группе относятся электродвигательные ИМ, обеспечивающие постоянную скорость перемещения РО, ко второй - пневматические мембранные ИМ, у которых перемещение РО пропорционально регулирующему воздействию.

Структурная схема П-регулятора с ИМ первого типа приведена на рисунке 4.2, а. Закон регулирования формируется с помощью отрицательной обратной связи (ОС) по положению РО, т. е. на вход устройства ОС поступает сигнал x с преобразователя перемещения ИМ.

В соответствии с правилами преобразования структурных схем ПФ регулятора имеет вид

При большом коэффициенте усиления ПФ упрощается

(4.1)

Для того чтобы формула (4.1) была тождественна ПФ идеального П-регулятора , необходимо выполнить условие .

Таким образом, ОС должна быть выполнена в виде безынерционного звена с коэффициентом усиления . Такую ОС называют жесткой. Соответственно, параметр настройки П-регулятора - коэффициент пропорциональности задается параметрами звена ОС.

Переходная характеристика реального П-регулятора несколько отличается от характеристики идеального в начальной своей части из-за ограниченной скорости ИМ.

Рис. 4.2. Структурные схемы П-регулятора (а) и И-регулятора (б):

1 - усилитель; 2 - исполнительный механизм; 3 - цепь обратной связи

Пропорциональные регуляторы позволяют устойчиво работать практически в любых технологических системах. Однако их недостаток - зависимость регулируемой величины от нагрузки объектов.

Интегральный (И) регулятор. Он перемешает РО пропорционально интегралу от сигнала рассогласования,

Таким образом, в динамическом отношении И-регулятор подобен интегрирующему звену. Параметр настройки И-регулятора - коэффициент пропорциональности - характеризует зависимость скорости перемещения регулирующего органа от значения отклонения регулируемого параметра.

Структурная схема серийного П-регулятора показана на рисунке 4.2, б. Передаточные функции элементов схемы определяются следующими выражениями

(4.2)

(4.3)

Передаточная функция всей схемы

После подстановки в формулу (4.3) значений ПФ из формулы (4.2). деления числителя и знаменателя на и отбрасывания за малостью получаем ПФ И-регулятора ( - постоянная времени ИМ, величина, обратная )

И-регуляторы поддерживают параметр без его отклонений, однако могут устойчиво работать только на объектах, имеющих значительное самовыравнивание.

Пропорционально-дифференциальный (ПЛ) регулятор. Он перемещает РО на значение пропорциональное сумме отклонения и скорости (дифференциала) отклонения регулируемой величины .

Уравнение регулятора (в операторной форме)

Таким образом, в динамическом отношении ПД-регулятор подобен системе из двух параллельно включенных звеньев: безынерционного с коэффициентом пропорциональности и дифференциального с коэффициентом .

Пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор. Он перемещает РО на величину , пропорциональную сумме отклонения и интеграла от отклонения регулируемой величины у.

Уравнение регулятора (в операторной форме)

Таким образом, в динамическом отношении ПИ-регулятор подобен системе из двух параллельно включенных регуляторов: пропорционального с коэффициентом пропорциональности и интегрального с коэффициентом пропорциональности Отсюда следует, что у ПИ-регулятора два параметра настройки: коэффициент пропорциональности и время удвоения . При этом , как следует из таблицы 2, может быть определено как время, за которое выходной сигнал регулятора изменяется от до т. е. удваивается.

Структурная схема ПИ-регулятора показана на рисунке 4.3 в двух вариантах: с охватом и без охвата ИМ отрицательной ОС.

В первом варианте (рис. 4.3, а) устройство ОС должно иметь характеристику реального дифференцирующего звена

,

где и - коэффициент усиления и постоянная времени дифференцирующего звена.

Тогда, как было отмечено ранее, при достаточно большом коэффициенте усиления ПФ регулятора

, или ,

если принять и .

Таким образом, в первом варианте исполнения регулятора ПФ исполнительного механизма не влияет на формирование закона регулирования, который полностью определяется характеристикой устройства ОС. В серийных ПИ-регуляторах этою типа в качестве ОС используют различные электрические, пневматические или гидравлические устройства - аналоги реально дифференцирующего звена. Такую ОС называют упругой или гибкой.

Во втором варианте исполнения ПИ-рсгулятора (рис. 4.3, б)

Рис. 4.3. Структурные схемы ПИ-регулятора с охватом (а) и без охвата (о) ИМ цепью отрицательной обратной связи:

1 - усилитель; 2 - исполнительный механизм; 3 - обратная связь

возможны два случая, когда исполнительный механизм имеет характеристику интегрирующего или пропорционального звена.

В обоих случаях при достаточно большом коэффициенте усиления имеем

.

Если, , а ОС выполнена в виде апериодического звена 1-го порядка , то получаем ПФ ПИ-регулятора

где оба параметра настройки и также определяются параметрами узла ОС.

Если у ИМ характеристика пропорционального звена, то для реализации ПИ-регулятором закона регулирования звено ОС должно иметь характеристику реального дифференцирующего звена.

При увеличении постоянной времени такой ПИ-регулятор превращается в П-регулятор, а устройство ОС - в безынерционное звено.

В большинстве серийно выпускаемых электрических регуляторов, использующих ИМ с постоянной скоростью перемещения и имеющих структурную схему (рис. 4.3, б ), в качестве второй ступени усиления используют трехпозиционный релейный элемент.

Такой принцип реализован в большом числе регуляторов, используемых в сельскохозяйственном производстве (Р-25, РС-29, РП-4 и др.).

ПИ-регуляторы, отличаясь простотой конструкции, обеспечивают высокое качество стабилизации параметра независимо от нагрузки объекта.

Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор. Он перемещает РО пропорционально отклонению, интегралу и скорости отклонения регулируемой величины.

Уравнение регулятора (в операторной форме)

.

Таким образом, в динамическом отношении ПИД-регулятор подобен системе из трех параллельно включенных звеньев: пропорционального - с коэффициентом пропорциональности интегрального - с и дифференцирующего - .

Соответственно, у ПИД-регулятора параметров настройки три: коэффициент пропорциональности , время интегрирования , и время дифференцирования .

На практике аналоговый ПИД-регулятор выполняют по той же структурной схеме, что и ПИ-регулятор (рис. 4.3, а), но устройство ОС в этом случае должно иметь ПФ вида апериодического звена второго порядка. Обычно ПИД-закон регулирования реализуют путем включения последовательного корректирующего устройства в виде интегрально-дифференцирующего звена.

Позиционный (релейный) регулятор. Он вырабатывает сигнал, который перемещает РО в одно из фиксированных положений (позиций). Этих положений может быть два, три и более, соответственно различают двух-, трех- и многопозицонные регуляторы.