Для регулирования объектами управления, как правило, используют типовые регуляторы, названия которых соответствуют названиям типовых звеньев (описание типовых звеньев представлено в разделе 2.4):
1. П-регулятор, пропорциональный регулятор
Передаточная функция П-регулятора: Wп(s) = K1. Принцип действия заключается в том, что регулятор вырабатывает управляющее воздействие на объект пропорционально величине ошибки (чем больше ошибка Е, тем больше управляющее воздействие Y).
2. И-регулятор, интегрирующий регулятор
Передаточная функция И-регулятора: Wи(s) = К0/s. Управляющее воздействие пропорционально интегралу от ошибки.
3. Д-регулятор, дифференцирующий регулятор
Передаточная функция Д-регулятора: Wд(s) = К2*s. Д-регулятор генерирует управляющее воздействие только при изменении регулируемой величины: Y= K2 * dE/dt.
На практике данные простейшие п, и, д регуляторы комбинируются в регуляторы вида “пи”, “пд”, “пид” (см. рис.1):
Рисунок 1 - Виды непрерывных регуляторов
В зависимости от выбранного вида регулятор может иметь пропорциональную характеристику (П), пропорционально-интегральную характеристику (ПИ), пропорционально-дифференциальную характеристику (ПД) или пропорционально-интегральную (изодромную) характеристику с воздействием по производной (ПИД-регулятор).
1. пи-регулятор, пропорционально-интегральный регулятор
пи-регулятор представляет собой сочетание п- и и-регуляторов. передаточная функция пи-регулятора: Wпи(s) = K1 + K0/s.
2. пд-регулятор, пропорционально-дифференциальный регулятор
пд-регулятор представляет собой сочетание п- и д-регуляторов. передаточная функция пд-регулятора: Wпд(s) = K1 + K2 s.
3. пид-регулятор, пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор
ПИД-регулятор представляет собой сочетание П-, И- и Д-регуляторов. Передаточная функция ПИД-регулятора: Wпид(s) = K1 + K0 / s + K2 s.
Наиболее часто используется “пид”-регулятор, поскольку он сочетает в себе достоинства всех трех типовых регуляторов.
· Структурные схемы непрерывных регуляторов
В данном разделе приведены структурные схемы непрерывных регуляторов с аналоговым выходом -рис.2, с импульсным выходом - рис.3 и с шим (широтно импульсным модулированным) выходом -рис.4.
в процессе работы система автоматического регулирования ар (регулятор) сравнивает текущее значение измеряемого параметра х, полученного от датчика д, с заданным значением (заданием sp) и устраняет рассогласование регулирования e (b=sp-pv). внешние возмущающие воздействия z также устраняются регулятором. работа приведенных структурных схем отличается методом формирования выходного управляющего сигнала регулятора.
· Непрерывный регулятор с аналоговым выходом
Структурная схема непрерывного регулятора с аналоговым выходом приведена на рис.2.
выход y регулятора ар (например, сигнал 0-20ма, 4-20ма, 0-5ма или 0-10в) воздействует через электропневматический преобразователь е/р сигналов (например, с выходным сигналом 20-100кпа) или электропневматический позиционный регулятор на исполнительный элемент к (регулирующий орган).
Рисунок 2 - Структурная схема регулятора с аналоговым выходом
где:
ар - непрерывный “пид”-регулятор с аналоговым выходом,
sp - узел формирования заданной точки,
pv=x- регулируемый технологический параметр,
е - рассогласование регулятора,
д - датчик,
нп - нормирующий преобразователь (в современных регуляторах является входным устройством)
y - выходной аналоговый управляющий сигнал е/р - электропневматический преобразователь,
к - клапан регулирующий (регулирующий орган).
· Непрерывный регулятор с импульсным выходом
Структурная схема непрерывного регулятора с импульсным выходом приведена на рис.3.
Выходные управляющие сигналы регулятора - сигналы больше и меньше (транзистор, реле, симистор) через контактные или бесконтактные управляющие устройства (п) воздействуют на исполнительный элемент к (регулирующий орган).
Рисунок 3 - Структурная схема регулятора с импульсным выходом
где:
ар - непрерывный пид-регулятор с импульсным выходом,
sp - узел формирования заданной точки,
pv=x- регулируемый технологический параметр,
е - рассогласование регулятора,
д - датчик,
нп - нормирующий преобразователь (в современных регуляторах является входным устройством) имп - импульсный шим модулятор, преобразующий выходной сигнал y в последовательность импульсов со скважностью, пропорциональной выходному сигналу: q=\y\/100. сигналы больше и меньше - управляющие воздействия,
п - пускатель контактный или бесконтактный,
к - клапан регулирующий (регулирующий орган).
· Непрерывный регулятор с “шим” (широтно импульсным модулированным) выходом
Структурная схема непрерывного регулятора с “шим” (широтно импульсным модулированным) выходом приведена на рис.4.
выходной управляющий сигнал регулятора (транзистор, реле, симистор) через контактные или бесконтактные управляющие устройства (п) воздействуют на исполнительный элемент к (регулирующий орган).
Непрерывные регуляторы с шим выходом широко применяются в системах регулирования температуры, где выходной управляющий симисторный элемент (или твердотельное реле, пускатель) воздействуют на термоэлектрический нагреватель тэн, или вентилятор.
Рисунок 4 - Структурная схема регулятора с ШИМ выходом
ар - непрерывный пид-регулятор с импульсным шим выходом,
sp - узел формирования заданной точки,
pv=x- регулируемый технологический параметр,
е - рассогласование регулятора,
д - датчик,
нп - нормирующий преобразователь (в современных регуляторах является входным устройством) шим - импульсный шим модулятор, преобразующий выходной сигнал y в последовательность импульсов со скважностью, пропорциональной выходному сигналу: q=y/100.
п - пускатель контактный или бесконтактный,
к - клапан регулирующий (регулирующий орган).
· Согласование выходных устройств непрерывных регуляторов
Выходной сигнал регулятора должен быть согласован с исполнительным механизмом и исполнительным устройством.
В соответствии с видом привода и исполнительным механизмом необходимо использовать выходное устройство непрерывного регулятора соответствующего типа, см. таблицу 1.
Таблица 1 - Согласование выходных устройств непрерывных регуляторов
| Выходное устройство непрерывного регулятора | Тип выходного устройства | Закон регулирова-ния | Исполнительный механизм или устройство | Вид привода | Регулирующий орган |
| Аналоговый выход | цап с выходом 0-5ма, 0-20ма, 4-20ма, 0-10в | П-, ПИ-,ПД-, ПИД-закон | Преобразователи и позиционные регуляторы электро-пневматические и гидравлические | Пневматические исполнительные приводы (с сжатым воздухом в качестве вспомогательной энергии) и электропневматические преобразователи сигналов или электропневматические позиционные регуляторы, электрические (частотные привода) | |
| Импульсный выход | Транзистор, реле, симистор | п-, пи-, пд-, пид-закон | Контактные (реле) и бесконтактные (симисторные) пускатели | Электрические приводы (с редуктором), в т. ч. реверсивные | |
| шим выход | Транзистор, реле, симистор | п-, пи-, пд-, пид-закон | Контактные (реле) и бесконтактные (симисторные) пускатели | Термоэлектрический нагреватель(ТЭН) и др. |
· Реакция регулятора на единичное ступенчатое воздействие
Одной из динамических характеристик обьекта управления является его переходная характеристика -реакция обьекта на единичное ступенчатое воздействие (см. Динамические характеристики), например, изменение заданной точки регулятора.
В данном разделе приведены переходные процессы системы управления при единичном ступенчатом изменении заданной точки при использовании регуляторов с различным законом регулирования.
Если на вход регулятора подается скачкообразная функция изменения заданной точки - см. рис. 5, то на выходе регулятора возникает реакция на единичное ступенчатое воздействие в соответствии с характеристикой регулятора в функции времени.
Рисунок 5 - Единичное ступенчатое воздействие скачкообразная функция изменения заданной точки регулятора
· П-регулятор, реакция на единичное ступенчатое воздействие
Параметрами П-регулятора являются коэффициент усиления Кр и рабочая точка Y0. Рабочая точка Y0 определяется как значение выходного сигнала, при котором рассогласование регулируемой величины равно нулю. При влиянии возмущающих воздействий возникает, в зависимости от Y0, отклонение регулирования.
Рисунок 6 - П-регулятор. Реакция на единичное ступенчатое воздействие
· Пи-регулятор, реакция на единичное ступенчатое воздействие
В отличие от П-регулятора у ПИ-регулятора, благодаря интегральной составляющей, исключается отклонение регулирования.
Параметром интегральной составляющей является время интегрирования Ти.
Рисунок 7 - ПИ-регулятор. Реакция на единичное ступенчатое воздействие
· Пд-регулятор, реакция на единичное ступенчатое воздействие
У пд-регуляторов пропорциональная составляющая накладывается на затухающую дифференциальную составляющую.
д-составляющая определяется через усиление упреждения “Уд” и время дифференцирования “Тд”.
Рисунок 8 - пд-регулятор. Реакция на единичное ступенчатое воздействие
· Пид-регулятор, реакция на единичное ступенчатое воздействие
Благодаря дополнительному подключению Д-составляющей ПИД-регулятор достигает улучшения динамического качества регулирования.
См. пи-регулятор, пд-регулятор.
Рисунок 9 - пид-регулятор. Реакция на единичное ступенчатое воздействие
Системы автоматического проектирования и регулирования, а так же оборудование, устройства и средства автоматизации распространены на предприятиях по всему миру, и предоставляют людям как и пользу - в виде эффективности работы, так и свои недостатки - в случае неправильно подобранных средств автоматизации или неправильной настройки оборудования, возможны технические ошибки.
В целом автоматизация в современное время очень распространена и система автоматического проектирования будет и дальше развиваться с развитием разных отраслей технологического производства.
Использованные источники:
Литература: (не удалять!)
· Учебное издание - расчет одноконтурных и многоконтурных
автоматических систем регулирования на эвм
БАРАБАНОВ Николай Николаевич
ЗЕМСКОВА Валентина Тимофеевна
Учебное пособие
Редактор Р.С.Кузина
Корректор
Владимирский государственный университет.
Подразделение оперативной полиграфии
Владимирского государственного университета.
Адрес университета и подразделения оперативной полиграфии:
600000, Владимир, ул. Горького, 87.
E-mail: rio-m2@vpti.vladimir.su
· Проектирование и сапр систем автоматизации
Е. С. Якубовская кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизации
производственных процессов и электротехники БГТУ О. Г. Барашко;
главный специалист УП «Институт БЕЛГИПРОАГРОПИЩЕПРОМ» С. С. Войтович
«Автоматизация технологических процессов
и производств (сельское хозяйство)»
· Учебно-методическое издание проектирование систем автоматизации тепловых процессов
· Иванов Сергей Георгиевич, Горячкин Николай Борисович
Методические указания к курсовому и дипломному проектированию для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика»
по дисциплине «Автоматизация тепловых процессов»
Использованные информационные интернет – источники:
https://www.pointcad.ru/novosti/sistemyi-avtomatizirovannogo-proektirovaniya-i-ix-ispolzovanie
https://automation-system.ru/main/65-regulyator/regulation-systems/13-46-klassifikacziya-sistem-avtomaticheskogo-regulirovaniya.html
https://automation-system.ru/main/13-promyshlennaya-avtomatika/datchiki-haracterist/81-29-dinamicheskie-xarakteristiki.html
https://automation-system.ru/main/15-regulyator/type-of-control/90-408-p-pi-pid.html
https://www.pointcad.ru/novosti/sistemyi-avtomatizirovannogo-proektirovaniya-i-ix-ispolzovanie