Архив / 1996 / №3 / 

Типы и применение регуляторов

В настоящее время благодаря бурному внедрению микроконтрол-леров автоматизируются все более сложные объекты . Поэтому для применения систем управления и авторегулирования от пользователя требуются определенные знания автоматики.

Управляемые объекты и их модели

Для описания систем автоматического управления (регулирования) обычно используется следующая структурная схема:

Рис. 1. Обобщенная  структурная схема САУ (САР) где:  U - уставка (программно задаваемая величина); X - контролируемая величина (состояние объекта); E - невязка; Y  - управляющий сигнал; G - внешние возмущения; П - программный задатчик (в частном случае оператор)
Рис. 1. Обобщенная структурная схема САУ (САР) где: U - уставка (программно задаваемая величина); X - контролируемая величина (состояние объекта); E - невязка; Y - управляющий сигнал; G - внешние возмущения; П - программный задатчик (в частном случае оператор)

В процессе работы система автоматического регулирования (САР) сравнивает текущее значение измеряемой величины Х с заданием U (уставкой) и устраняет рассогласование Е (невязку). Возмущающие воздействия G также устраняются регулятором. Например, при регулировании температуры в печи, уставкой U является требуемая температура воздуха, контролируемой величиной X - текущая температура, невязкой E является их разница, управляющей величиной Y является напряжение на теплонагреватель-ном элементе (ТЭНе).

Программный задатчик П изменяет уставки в течение суток (режим термической обработки в печах, досвет в теплицах, изменение температуры помещения и пр.). Его использование обычно не представляет особой сложности с позиции настройки и эксплуатации.

На температуру в печи влияют температура окружающей среды, открытая заслонка, состояние ТЭН и пр. Пользователю необходимо, чтобы температура в печи как можно точнее совпадала с уставкой.

Основной задачей при построении САР является выбор и наладка регулятора, адекватного объекту управления. Кроме того, необходим подбор соответствующих измерительных преобразователей (датчиков). Для успешного решения этой задачи в первую очередь необходимо определить динамические свойства объекта управления.

Динамические свойства объектов

Для определения динами-ческих свойств объекта на практике чаще всего используют методику снятия переходной характеристики, которая излагается ниже. В начальный момент требуется, чтобы система находилась в покое (т.е. контролируемая величина X (температура в печи) и управляющее воздействие Y (напряжение на ТЭНе) не изменялись, а внешние возмущения отсутствовали. Например, температура в печи оставалась постоянной и заслонка не открывалась. Затем на вход исполнительного органа подается ступенчатое воздействие, например, включается нагреватель. В результате состояние объекта начинает изменяться. Процесс изменения Х(t) – переходная ха-рактеристика изображена на рис. 2.

Рис. 2. Процесс изменения температуры нагреваемого объекта: Ху  – установившееся значение. Максимальное значение температуры в печи, которое может быть достигнуто при данной мощности нагревателя;
Рис. 2. Процесс изменения температуры нагреваемого объекта: Ху – установившееся значение. Максимальное значение температуры в печи, которое может быть достигнуто при данной мощности нагревателя;

По виду переходной характеристики можно определить динамические свойства объекта: Ху, to, tи, R. Для регуляторов с релейным выходом на объект подается 100% мощности. В ряде случаев длительное воздействие такой мощности недопустимо. В этом случае допускается выключение нагревательного элемента после определения to и R. При этом скорость изменения температуры достаточно точно можно определить после достижения величиной Х значения 0,3 Ху . Тогда скорость изменения температуры R и постоянная времени tи определяются по формуле: R = DT/Dt; tи = Ху/R. Значение Ху = Хmax опреде-ляется из  паспортных данных объекта управления (например максимальная температура печи). Исходя из соотношения tо/tи делятся на: 1. Объекты без запаздывания: tо/tи < 0,05. 2. Объекты с большой инерционностью и с малым  запаздыванием: tо/tи< 0.1. 3. Объекты с существенным транспортным запаздыванием:  tо/tи > 0.2.

Вышеперечисленные объекты устойчивы и обладают самовыравниванием, т.е. если подать ступенчатое воздействие Y меньше, чем Ymax, то установившееся значение Ху будет меньше Хmax. Существуют неустойчивые объекты без самовыравнивания. Например, вентилятор с асинхронным электродвигателем с жесткой характеристикой. При изменении напряжения питания двигатель или находится в заторможенном состоянии, или разгоняется до номинальных оборотов. Для каждого объекта управления необходимо применять регуляторы с соответствующим алгоритмом – законом регулирования. Это позволяет существенно снизить потери при функционировании объекта (расход энергии, потери продукции и пр.). Исходя из соотношения tо/tи, выбирается тот или иной тип регулятора (см. таблицу). На параметры объекта значительное влияние оказывает взаимное расположение исполнительных органов (ТЭНа) и первичного преобразователя (датчика). На рис.3 изображена САР водяным отоплением с управлением задвижкой.

Величина транспортного запаздывания - to определяется временем притока воды в батарею из отопительной сети и временем распространения теплового потока в воздухе. Постоянная времени - tи определяется объемом помещения- V.Следовательно, уменьшая длину трубопровода и приближая датчик к батарее мы можем снизить соотношение tо/tи и упростить задачу регулирования.

Рис.3. Блок-схема САР водяным отоплением
Рис.3. Блок-схема САР водяным отоплением

Выходные цепи регуляторов

По типу выходной величины регуляторы делятся на:
Непрерывные регуляторы, имеющие непрерывно изменяющуюся выходную величину.

Регуляторы с выходом по постоянному току или напряжению (Стандартный выход 0-5 мА или 0-10V) Выходная величина формируется цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) и представляет собой неизменную  величину в каждый интервал времени. Применяется редко, так как требуются дополнительные аналоговые схемы для управления коэффициентов. Следует иметь в виду, что при неточном задании коэффициентов настройки ПИД-регулятор может иметь худшие показатели, чем Т - регулятор (релейный) и даже перейти в режим автоколебаний. Для типовых ПИД-регуляторов известны простейшие аналитические и табличные методы настройки (например две методики Цидлера). Вопросы настройки и применения ПИД-регуляторов будут освещены в следующих статьях.

Современные микропроцессорные приборы автоматически подбирают коэффициенты настройки регуляторов, такие регуляторы называются адаптивными. Адаптация производится:
– в процессе вывода состояния объекта на новое задание - U. В этом случае говорят о самонастройке или самооптимизации;
– в процессе стабилизации состояния объекта. Адаптивные регуляторы позволяют улучшить качество регулирования температуры, например, при изменении загрузки печи и состояния нагревательного элемента в процессе эксплуатации.

Однако можно отметить и недостаток адаптивных систем. В случае очень больших возмущающих воздействий параметры настройки могут “сбиться” и система на некоторое время может перейти в колебательный режим с запредельными значениями регулируемой величины Х.

В любом случае для установкиадаптивных систем требуется хотя бы грубое задание некоторых параметров: частоты опроса, максимального и минимального  значения регулируемой величины Х, зоны нечувствительности.

ПИД-регуляторы позволяют для объектов с большой инерционностью tи и с малым запаздыванием tо<0.2 · tи обеспечить хорошее качество регулирования: E << 1% от U, достаточное малое время выхода на режим и невысокую чувствительность к возмущениям. Однако при tо>0.2 · tи ПИД-регулятор обладает плохим качеством регулирования. В этом случае хорошие качественные показатели обеспечивают системы управления с моделью объекта.

Системы управления с моделью объекта обладают возможностью предугадывать будущие изменения состояния объекта. Они могут быть адаптивными или нет и незаменимы для объектов с существенным временем запаздывания tо>0.2 · tи. Приведенная выше таблица параметров объектов регулирования указывает на то, что наиболее распространенными являются позиционные – Т-регуляторы. Поэтому в следующей статье будут подробно рассмотрены теоретические и практические вопросы применения Т-регуляторов.
(Продолжение следует).

Аркадий Ерков, Алексей Хорошавцев