Архив / 1997 / №3(13) / 

Особенности применения трехпозиционных регуляторов

Для регулирования темпера-туры в системах отопления, пастеризаторах, сушильных машинах, в теплицах для управления форточками и на многих других объектах, где предполагается наличие испол-нительного механизма, управляющего задвижкой или клапаном, необходим так называемый 3-х позиционный регулятор.

В отличие от двухпозиционного регулятора, действие которого сводится только к переключению исполнительного элемента (реле, клапана) между двумя положениями («вкл.»-«выкл.»), трехпозиционный регулятор осуществляет через исполнительный двигатель регулирующее воздействие со ступенчатым изменением положения исполнительного органа (за-движки) в диапазоне открытия от 0 до 100%. В зависимости от величины и знака рассогласования такой регулятор имеет 3 положения: ход влево – состояние покоя – ход вправо.

Ранее отмечалось, что в качестве такого регулятора можно применять ТРМ5. Два выходных реле можно запро-граммировать так, чтобы они работали как показано на рис. 1.

Если текущая температура Т меньше уставки Т1, замыкается реле Р1, заставляя задвижку открываться и увеличивать количество теплоносителя. Как только температура превысит уставку Т1, реле Р1 разомкнется и задвижка останется в том промежуточном положении, которого успела достигнуть за время t1.

Если затем температура по какой-либо причине превысит уставку Т2, сработает реле Р2 и задвижка начнет закрываться до тех пор, пока температура не вернется в диапазон между уставками Т1 и Т2. Таким образом ТРМ5 выполняет задачу регулирования, но только в тех системах, где температура начинает расти почти сразу после начала движения задвижки. Однако, скорость движения задвижки может оказаться слишком высокой для объектов, где температура начинает изменяться не сразу, а с большим запаздыванием. Если не предпринять специальных мер, задвижка будет постоянно двигаться из одного крайнего положения в другое, а система перейдет в колебательный режим (рис. 2).

Чтобы избежать этого, на исполнительный механизм ста-вят редуктор или последователь-но с реле ТРМ5 в цепь управления пускателем ставят реле времени (типа УТ23) рис. 3.

Рис.3
Рис.3

Длительность импульсов подбирают исходя из минимального необходимого приращения температуры, а период следования таким, чтобы температура успевала выйти на новое установившееся значение.

Если параметры объекта (температура теплоносителя, загрузка печи, погодные условия) постоянны или изменяются очень медленно, такая система выходит на заданную уставку без перерегулирования и хорошо поддерживает заданную температуру. Причем, чем дальше друг от друга уставки Т1 и Т2, тем реже включаются реле, тем меньше изнашиваются коммутирующие элементы.

Поскольку такие системы в автоматическом режиме долго выходят на режим, вывод объекта на заданную температуру, как правило, осуществляют вручную, а затем переводят сис-тему в автоматический режим.

К сожалению, описанная выше система с трехпозиционным регулятором совершенно не пригодна для объектов, где наблюдается быстрое изменение состояния объекта по какой-либо внешней причине. Например, изменение начальной температуры нагреваемого продукта (изменение степени загрузки печи, нагрев кровли теплицы солнцем и т.п.).

Так как длительность импульсов задана жестко и не зависит от величины рассогласования Е (разницы между текущей температурой и уставкой), регулятор не в состоянии быстро компенсировать потерю тепла (рис. 4).

Чтобы устранить этот недостаток надо, чтобы длительность управляющих импульсов D увеличивалась пропорционально величине рассогласования Е (рис. 5), т.е.
D = К • Е, где К - коэффициент пропорциональности.

В каждый момент времени регулятор должен найти такое  положение задвижки, при котором будет поддерживаться заданная температура.

Изменяя длительность импульсов управления D, регулятор фактически изменяет среднюю скорость движения задвижки как в одну, так и в другую сторону, т.е. регулирование ведется по скорости. Перемещение задвижки можно определить в результате интегрирования скорости во времени. Интегрирование осуществляет исполнительный механизм. Поэтому такое регулирование называется интегральным, а регуляторы в совокупности с задвижкой – интегральными регуляторами.

Y(t) = т Y'(t)dt = K т  E(t)dt,

Y(t) - величина перемещения задвижки;

Y'(t) - скорость движения задвижки;

t - время;

К - коэффициент пропорциональности;

Е - величина рассогласования – разница между текущей температурой и уставкой.

Интегральный регулятор значительно быстрее выводит температуру в район уставки, однако вблизи уставки, где рассогласование Е очень мало, он либо не доводит температуру до заданной (при слишком малом К), либо дает перерегулирование и длительные незатухающие колебания вокруг уставки (при большем значении К) (рис. 6).

Связано это с тем, что интегральный регулятор не может выработать импульс на закрытие задвижки, пока текущая температура не превысит уставку и наоборот импульс на открытие не может появиться, пока температура не упадет ниже заданной.

Таким образом в установившемся режиме регулятор периодически дает импульсы противоположной полярности, а температура колеблется вокруг уставки.

Если бы регулятор мог выдать импульс торможения, например в момент tторм., колебания бы прекратились, но заложенный закон: D = К • Е не позволяет этого сделать.

Уменьшение коэффициента К приводит лишь к увеличению периода этих колебаний и ухудшению динамических свойств регулятора (т.е. он медленнее реагирует на резкие перепады температуры объекта).

Для устранения колебаний вводят зависимость длительности управляющих импульсов не только от рассогласования Е, но и от скорости изменения этого рассогласования E' = DE/Dt.

D = K • (E + T • E'),

E' - скорость изменения рассогласования (первая производная по времени);

Т - коэффициент пропорциональности.

Такой регулятор называется пропорционально-дифференциальным (ПД), а в совокупности с интегрирующим исполнительным механизмом образуется ПД/ПИД-регулятор.
Благодаря отрицательной обратной связи по скорости изменения рассогласования при подходе к уставке, т.е. когда Е мало, а скорость изменения Е' слишком велика, становится возможным появление упреждающего (тормозящего) импульса на закрытие задвижки, несмотря на то, что Е все еще больше 0.

Это существенно уменьшает перерегулирование и способствует плавному выходу объекта на заданную температуру (см. рис. 7).

Наиболее распространенные регуляторы Московского завода тепловой автоматики типа Р27, Р29, ПРОТАР хорошо известны нашему потребителю. К сожалению это достаточно сложные и дорогие устройства. Они требуют высокой квалификации обслуживающего персонала при настройке их на объекте. Из-за большого количества аналоговых элементов требуется периодическая подстройка прибора.

Достаточно серьезную конкуренцию им составили появившиеся в последние годы цифровые ПИД-регуляторы, выполненные на основе микропроцессоров. Заданные при настройке параметры хранятся в энергонезависимой памяти в цифровом виде, поэтому такие приборы не требуют подстройки. Многие из них имеют функцию самонастройки под объект и другие сервисные возможности. Однако цифровые регуляторы имеют ряд особенностей, связанных с тем, что все измерения и вычисления производятся с заданной периодичностью.

Вопросы их правильной настройки будут в дальнейшем рассмотрены на страницах нашего обозрения.

(Продолжение следует).

Аркадий Ерков, Алексей Хорошавцев