Архив / 1996 / №6 / 

Типы и применение регуляторов (Продолжение. Начало в №№ 3-5)

В предыдущей статье было описано устройство регуляторов с пропорционально-интегральным-дифференциальным законом регулирования, а также методики настройки подобных регуляторов. В данной статье рассмотрены встречающиеся в практике модификации этих регуляторов.

Адаптивные ПИД-регуляторы

Коэффициенты настроек такого регулятора автоматически подбираются микропроцессором:

- в процессе вывода состояния объекта на новое задание - U; в этом случае говорят о самонастройке или самооптимизации;

- в процессе стабилизации состояния объекта. Алгоритм адаптации в процессе стабилизации значительно сложнее алгоритма самооптимизации: мешают возмущающие воздействия.

В ряде случаев адаптация позволяет улучшить характеристики системы авторегулирования. Например, при изменении меблировки помещения, состояния окон и пр. адаптация позволяет улучшить качество регулирования.

Адаптивные системы в частности позволяют упростить настройку САР, используя режим самонастройки. Алгоритмы самонастройки эквивалентны алгоритмам настройки, описанным в предыдущей статье: по кривой разгона, по предельному усилению и по процессу Т-регулирования.

Однако можно отметить и недостаток многих 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 Х.

В любом случае, для установки и применения даже адаптивных систем требуется хотя бы грубое задание некоторых параметров: частота опроса, максимально и минимально возможные значения регулируемой величины Х, зона нечувствительности. Для объектов, параметры которых в процессе эксплуатации изменяются не более, чем на 10-20% (например, при одинаковой загрузке сушильного шкафа) рекомендуют применять регуляторы с постоянными коэффициентами настройки. Это обусловлено большей устойчивостью этих регуляторов к внешним помехам и ошибкам регуляторов.

Каскадные схемы включения регуляторов

Если в системе объект-регулятор происходят процессы, протекающие со скоростями отличающиеся в пять и более раз друг от друга, то обычно применяют каскадное включение двух и более регулято-ров (см. рис.1, 2). Как видно из рисунков, внутренний регулятор Р2 непосредственно управляет исполнительным органом и имеет входным заданием  Y1 – величину, определяемую внешним контуром каскадной САР.

Например: задание температуры водяного радиатора во внутреннем контуре в зависимости от температуры на улице и от выходной величины внешнего контура регулирования температуры воздуха. Это обеспечивает высокие динамические свойства каскадной САР.

Возможно и наличие третьего контура в подобных системах, например, для управления газовым вентилем ОГВ.

Микропроцессорная реализация регуляторов позволяет в одном устройстве объединить все каскады, уменьшив стоимость и увеличив надежность системы.

Выходные цепи регуляторов

Здесь речь идет о том, какой тип выходных сигналов - Y , используется в САР для управления рабочими органами.

Существуют следующие разновидности систем:

а) с выходом по постоянному току или напряжению (непрерывные регуляторы - стандартный выход    0-5 мА или 0-10 В). Выходная величина формируется аналогово цифровым преобразователем (ЦАП) и  представляет  собой  неизменную  величину в каждый интервал времени. Применяется сравнительно редко, в системах, где используются дополнительные аналоговые схемы для управления рабочим органом. ЦАП используется также для регистрации параметров САР самописцем. Пример: управление системой с магнитным усилителем на входе, управление электродвигателем постоянного тока и т.п. Кроме того, благодаря аналоговому выходу, имеется возможность соединения микропро-цессорных и аналоговых регулято-ров в каскадные и др. схемы;

б) с фазовым управлением по переменному току (тиристорные). Также относятся к классу непрерывных регуляторов. Они  обычно используются для управления освещением,  электровигателями, гальваническими процессами и др. К недостаткам можно отнести большой уровень эл. помех;

в) с релейным выходом. Они применяются наиболее часто и  используют на выходе один или два релейных элемента. Релейными элементами могут являться реле, тиристоры или транзисторные ключи. Они имеют две или три ступенча-тые выходные величины типа включено/выключено –  реле с нормаль-но разомкнутыми контактами или двухпозиционное реле с зоной нечувствительности (может быть реализовано на двух обычных реле).
Несмотря на то, что в них используются реле, данные регуляторы могут обеспечивать регулиро-вание практически не хуже, чем непрерывные регуляторы. Это осуществляется для инерционных объектов (с постоянной времени более 1-2 мин) применением широтно-импульсной модуляции (ШИМ).  При этом выбирается цикл регулирования, в течение которого проис-ходит измерение регулируемого параметра и состояние реле не может меняться. Чем короче цикл, тем ближе регулятор к непрерывному, но больше износ реле или исполни-тельного механизма. Обычно оптимум длительности цикла лежит в пределах от tо/2 до tо/5 – время транспортного запаздывания объекта регулирования.

Последовательность включения и выключения реле при ШИМ-модуляции рассчитывается микропроцес-сором так, что в среднем на выходе регулятора выдается необходимая мощность. Например, если реле включается через раз, то выходная мощность Y равна половине максимальной (см. рис. 3).

Типичной сферой применения регуляторов с релейным выходом являются различного рода терморегуляторы, управление микроклиматом, управление насосной станцией и пр.

г) с двупозиционным или трехпозиционным выходом по переменному току (переключение в момент перехода напряжения питания через ноль). Они являются неким симбиозом  б) и в). Обычно используют на выходе оптотиристоры. Такие регуляторы обладают низким уровнем помех.

Нелинейные звенья регуляторов

В регуляторах обычно применяются два типа звеньев и их сочетания:

– Звенья типа «Насыщение». Применяются, когда нельзя выдавать величину  более заданной.

Например, при регулировании температуры в блочных теплицах с водяным отоплением нельзя слишком сильно открывать вентиль подачи воды при резком понижении температуры воздуха, так как может не хватить мощности котельной, и температура воды снизиться.

– Звенья – «Зона нечувствительности». Они обеспечивают при малых отклонениях регулирующего воздействия несрабатывание исполнительных органов: реле, электродвигателя и пр., экономя  ресурс устройств.

Микропрцессорные регуляторы обычно позволяют программировать параметры нелинейных звеньев.

В принципе, нелинейные звенья являются Т-регуляторами, и вследствие очевидного их применения на схемах цикла статей не указаны.

Напомним, что  ПИД-регуляторы могут эффективно применяться при соотношении to/Tи < 0.2. Если транспортное запаздывание слишком велико приходится уменьшать К и увеличивать Т регулятора, чтобы не допустить больших колебаний вокруг задания.  Это малое усиление К приводит  к  увеличению времени выхода на задание и увеличивает влияние внешних возмущений, так как регулятор слишком медленно на них реагирует.

В этом случае применяются системы с моделью объекта, которые обладают возможностью предугадывать будущие изменения состояния объекта. Они  могут быть адаптивными или нет и незаменимы для объектов с большим временем запаздывания: в пастеризаторах, кормоприготовителях, блочных теплицах. Вопросы применения  САУ с моделью объекта будут освещены в следующей статье.

(Продолжение следует).

Аркадий Ерков, Алексей Хорошавцев