Архив / 1998 / №1(14) / 

Особенности применения трехпозиционных регуляторов

Взамен старых, выпускающихся многие годы 3-х позиционных аналоговых регуляторов (типа РС25; РС29), ряд зарубежных и отечественных фирм предлагают цифровые приборы, выполненные на базе однокристальных микроконтроллеров.

В этих приборах аналоговый сигнал с датчика с заданной периодичностью преобразуется в цифровой код и обрабатывает-ся процессором, который выдает управляющие сигналы в соответствии с ПИД-законом регулирования.

Преимущества этих регуляторов очевидны:

– заданные пользователем уставки и коэффициенты ПИД-регулятора хранятся в цифровом виде в памяти прибора и не могут самопроизвольно измениться со временем в результате ухода параметров подстроечных элементов;
– длительность управляющих сигналов вычисляется прибором и выдается на реле с неизменной точностью до десятых долей секунды в течение всего срока службы прибора;
– без изменения габаритов и стоимости в прибор могут быть заложены самые сложные алгоритмы работы, в том числе и самонастройка на объекте;
– интерфейс связи с компьютером позволяет документировать процесс или управлять им с экрана IBM PC;
– предварительная обработка сигнала с датчика (цифровая фильтрация) позволяет значительно повысить помехоустойчивость прибора, что особенно важно для ПИД-регуляторов.

Первые модели цифровых регуляторов имели ряд недостатков. Самым распространенным из которых было «зависание» процессора. Кроме того, приходилось каждый раз при включении заносить в память прибора уставки и коэффициенты ПИД-регулятора.

Однако, за последние три-четыре года эти проблемы были решены.

В состав микроконтроллеров введены так называемые «сторожевые таймеры», перезапускающие микроконтроллер в случае сбоя, и энергонезависимые запоминающие устройства для хранения уставок.

Несмотря на явные преимущества замена старых, аналоговых регуляторов на новые цифровые вызывает определенные трудности. Цифровые регуляторы имеют ряд параметров, характерных только для этого вида приборов. В связи с тем, что все измерения и вычисления производятся с заданной периодичностью, описанные в учебниках методы настройки аналоговых ПИД-регуляторов не совсем подходят для цифровых приборов.

Мы надеемся, что эта статья поможет разобраться в тонкостях настройки простейшего 3-позиционного ПИД-регулятора ТРМ12, разработанного фирмой «Овен».

* * *

Вид лицевой панели и схема подключения ТРМ12 представлены на рис. 1.

Прибор имеет один вход для подключения стандартного датчика (ТСМ, ТСП, ТХА, ТХК) или унифицированного входного сигнала (0(4)...20 мА, 0...5 мА, 0...10В), два встроенных реле для управления электроприводом запорнорегулирующего или трех-ходового клапана. Предусмотрена возможность подключения прибора к ЭВМ и регистрации текущего значения входного параметра на самописце.

Сигнал с датчика преобразуется в цифровой вид и обрабатывается так, чтобы устранить влияние на показания прибора нелинейности датчика, длины соединительных проводов и электромагнитных помех. В качестве истинного прибор принимает среднее значение температуры, полученное за последние четыре секунды. Другими словами можно сказать, что новое значение текущей температуры ТРМ12 получает один раз в четыре секунды. Этот промежуток времени называется шагом регулирования.

Полученное текущее значение температуры Ti сравнивается с заданной уставкой Туст,после чего прибор выдает управляющий импульс, длительность которого определяется по формуле:

Di - длительность управляющего импульса;

Ei = Туст - Ti - величина рассогласования;

изменения рассогласования по сравнению с предыдущим шагом регулирования;

k и t - коэффициенты, задаваемые пользователем при настройке прибора;

k - общий коэффициент усиления. Он указывает насколько чувствителен прибор  к величине рассогласования и скорости ее изменения;

t - коэффициент перед дифференциальной частью ПИД-регулятора. Он определяет насколько чувствителен прибор к резким изменениям температуры объекта.

Полярность управляющих им-пульсов определяется по знаку Di:

если Di>0 – выдается им-пульс К1 на открытие задвижки;
если Di<0 – выдается импульс К2 на закрытие задвижки;
при |Di|<0,05 сек управляющий импульс не выдается.

Электропривод клапана в силу своей инерционности не может отработать импульс длительностью менее 0,2 сек. Поэтому, если |Di|<0,2 сек, ТРМ12 выдает управляющие импульсы не каждые 4 секунды, а начинает их пропускать. Например, если вычисленное значение Di = 0,1 сек, импульс длительностью 0,2 сек выдается каждые 8 секунд (см. рис. 2).

Если в течение шага регулирования температура объекта изменяется меньше, чем на 0,1оС, прибор считает величину DEi равной нулю. В результате дифференциальная составляющая ПИД-регулятора перестает оказывать влияние на длительность управляющих импульсов Di=k(Ei+t·0).

Чтобы избежать этого следует увеличить интервал между вычислением длительности управляющих импульсов, чтобы температура объекта успела измениться более, чем на 0,1оС. Этот интервал задается в ТРМ12 параметром s. Например, при s=4 вычисление длительности импульсов Di производится в каждом четвертом шаге регулирования (рис. 3).

Параметр s также позволяет отключить ТРМ12 от управления электроприводом. При s=0 управляющие импульсы не выдаются. Этот режим можно использовать при управлении задвижкой вручную с помощью кнопок, подключенных параллельно выходным реле при- бора (см. рис. 1).

Настройка прибора

Для вычисления вышеперечисленных параметров следует снять переходную характеристику объекта. Для этого переводят управление электроприводом из автоматического в ручной режим (s=0).

Вначале необходимо вывести задвижку в крайнее закрытое положение и дождаться, пока температура достигнет некоторого установившегося значения Тнач.

Определить величину То по формуле:

То = 0,03(Туст - Тнач)+Тнач, где

Туст - заданная для поддержания температура.

Затем задвижка выводится  в положение, необходимое для поддержания температуры, близкой к уставке Туст, замеряя при этом время движения задвижки tоткр.

Контролируя время по секундомеру, а температуру по инди-катору ТРМ12, определяют время tо (транспортное запаздывание), необходимое для достижения температуры То, и время t1, необходимое для достижения температуры Туст (рис. 4).

Для точного определения коэффициентов желательно, чтобы разность между Туст и Тнач составляла не менее 20оС.

Далее по формулам можно определить примерное значение параметров:


В процессе настройки, исходя из полученного переходного процесса, коэффициенты ПИД-регулятора и шаг регулирования могут быть изменены с целью достижения оптимального регулирования.

Чтобы избежать перерегулирования при включении установки следует предусмотреть ограничитель открытия задвижки, в качестве которого обычно используют концевой выключатель.

Ниже приведены некоторые графики переходных процессов, возникающих при неправильном выборе коэффициентов ПИД-регулятора.

При включении установки наблюдается значительное перерегулирование, а затем долгое слабозатухающее колебание температуры вокруг уставки.

Возможные причины:

- слишком большой коэффициент усиления k. На незначительное рассогласование формируется импульс большой длительности Di = k(E+tDE). В результате задвижка все время «проскакивает» мимо некоторого среднего, оптимального положения;
- слишком мал коэффициент t. Если скорость изменения рассогласования DЕi слишком велика, прибор должен формировать вблизи уставки тормозящие импульсы, т.е. начинать закрывать задвижку несмотря на то, что текущая температура все еще меньше уставки. Если этого не происходит, необходимо увеличить коэффициент t, что также придаст затухающий характер колебаниям температуры вокруг уставки и заставит прибор лучше реагировать на резкое изменение температуры объекта;
- s слишком мал. Если в пределах заданного параметра s величина DEi оказывается меньше 0,1оС, ТРМ12 считает ее равной нулю. То есть перестает работать дифференциальная составляющая ПИД-регулятора, признаком этого является отсутствие реакции прибора на изменение коэффициента t. Чтобы избежать этого, необходимо увеличить параметр s;
- s слишком велик. Слишком большой шаг регулирования также может вызвать колебательный процесс, но уже по другой причине. Колебания возникают из-за того, что прибор слишком редко вычисляет длительность управляющих импульсов и за счет этого «проскакивает» оптимальное положение задвижки или с большим запаздыванием реагирует на изменение температуры объекта.

* * *

Объект очень долго выходит  на уставку или очень долго возвращается на уставку после плавного изменения температуры  в результате возмущающего воздействия.  Причина этого в том, что коэффициент усиления k слишком мал. В результате,

есмотря на значительное рассогласование Е, длительность управляющего импульса оказывается слишком мала для того, чтобы его компенсировать.

* * *

Достаточно большой коэффициент при дифференциальной составляющей делает прибор чувствительным к резким изменениям температуры объекта и ведет к быстрому

затуханию колебаний температуры, однако если t слишком велик, прибор очень сильно изменяет длительность, а иногда и полярность управляющих импульсов при малейшем изменении величины DE. Поэтому при выходе на уставку температура растет не плавно, а рывками. Особенно это становится заметно вблизи уставки.

* * *

Оптимальная настройка коэффициентов ТРМ12 позволяет максимально быстро и почти без перерегулирования вывести объект на уставку.

Признаками правильного выбора коэффициентов является плавный, без рывков рост температуры и наличие тормозящих импульсов при подходе к уставке как снизу, так и сверху.

Если объект выходит на уставку с небольшим перерегулированием и быстрозатухающими колебаниями, можно немного уменьшить коэффициент усиления k, оставив все остальные параметры без изменения.

Аркадий Ерков, Алексей Хорошавцев