Регуляторы позиционного, непрерывного и импульсного действия

ПОВТОРЕНИЕ:
Объект управления
Датчик
Вторичный прибор
Задающий элемент (задатчик)
Сравнительный элемент (сумматор)
Устройство управления
Регулятор
Исполнительный механизм
Регулирующий орган
Регулирующее воздействие
Управляющее воздействие

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

РЕГУЛЯТОР
Автоматический регулятор – это автоматическое управляющее устройство, которое вырабатывает регулирующее воздействие в САР, если регулируемая величина отклонится от заданного значения.
Регуляторы поддерживают параметры на заданных значениях, соответствующих нормальному технологическому процессу. Оператор корректирует их работу путем изменения задания или коэффициентов настройки только в случае невыполнения цели функционирования ОУ, возникновения критических ситуаций или перехода на другой вид продукции (т.е. изменения технологического режима).

КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ

КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ
По виду регулируемой величины:
регулятор
температуры
регулятор
давления
регулятор
расхода
регулятор
концентрации
и других величин

По наличию
подводимой энергии:
Регуляторы
прямого действия
Регуляторы
непрямого действия
Не используют внешнюю энергию для процессов управления, используют энергию самого ОУ.
Не являются универсальными, нельзя управлять на расстоянии, ограничены в использовании.
Используют дополнительные источники энергии для приведения в движение регулирующего органа
КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ

По виду используемой энергии:
пневматические
электрические
гидравлические
КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ
Используют энергию сжатого воздуха давлением 0,14МПа
Используют электрическую энергию промышленной частоты
Используют энергию жидкости, находящейся под давлением 0,6-0,8кгс/см2

По конструктивному оформлению:
Регуляторы
приборного типа
Регуляторы
блочного типа
Регулирующее устройство встроено в корпус прибора и соединено с его измерительной частью сложной кинематической схемой
Занимают много места на ЩУ, в настоящее время практические не используется
КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ

по виду выполняемых функций:
Стабилизирующие
(заданное значение {ЗЗ} постоянно во времени)
Программные
(ЗЗ изменяется во времени по заранее заданной зависимости {программе })
Следящие
(ЗЗ соответствует текущему значению какого-либо параметра, т.е. произвольно меняется во времени)
Экстремальные
(ЗЗ соответствует экстремальному значению параметра для данных производственных условий)
КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ

по способу решения задачи управления:
Регуляторы
с аппаратурной реализацией функций управления
Регуляторы
с программной реализацией функций управления
за выполнение каждой функции отвечает отдельное устройство
встроены в современные цифровые вторичные приборы с функцией регулирования, вычисляют регулирующее воздействие программно.
КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ

по характеру регулирующего воздействия:
Регуляторы
дискретного действия
(импульсные и позиционные)
Регуляторы
непрерывного действия
РО перемещается только при достижении непрерывно изменяющейся регулируемой величиной определенных заданных значений.
РО может занимать ограниченное число определенных положений (позиций).
КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ
Действуют по определенному закону регулирования: Пропорциональный, Интегральный, дифференциальный, ПИ, ПИД закон регулирования.

Самостоятельная работа – разобрать принцип действия пропорционального регулятора уровня
Источник – Основы автоматики и системы автоматического управления [Электронный ресурс] / С.И Малафеев, А.А. Малафеева. – М.: «Академия», 2010г.
ПОЗИЦИОННЫЙ РЕГУЛЯТОР

Если при непрерывном изменении входной величины регулирующий орган перемещается непрерывно, то такой регулятор называется регулятором непрерывного действия. Работает в соответствии с установленным для него законом регулирования.
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
Регулятор тока
Регулятор скорости
Регулятор давления

Под законом регулирования понимают вид математической зависимости между выходной (перемещение РО) и входной величиной (отклонение регулируемого параметра от заданного значения ∆Хрег=Xвых-Xзад). Закон регулирования наглядно отображается временной характеристикой регулятора.
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Несмотря на большое разнообразие объектов управления и обилие различных технологических процессов, есть типовые законы регулирования, универсально подходящие для качественного управления объектами.
Для каждого объекта достаточно подобрать лишь параметры настройки регулятора.
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Применение типовых законов регулирования позволяет использовать в САР стандартные, серийно выпускаемые регуляторы.
Название регулятора дают по типу закона регулирования, который он отрабатывает.
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
Овен ТРМ1
Овен ТРМ138
Овен ТРМ151

ЗАКОН РЕГУЛИРОВАНИЯ
По закону регулирования регулятора непрерывного действия делятся на:
Пропорциональные П-регуляторы (статические);
Интегральные И-регуляторы (астатические);
Пропорционально-интегральные ПИ-регуляторы (изодромные);
Дифференциальные Д-регуляторы;
Пропорционально-дифференциальные ПД-регуляторы;
Пропорционально-интегралодифференциальные ПИД-регуляторы;

ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР (П-РЕГУЛЯТОР)
- это АР, у которого отклонение регулируемой величины от заданного значения вызывает перемещение РО на величину, пропорциональную величине этого отклонения.
Каждому значению регулируемого параметра соответствует определенное положение РО.
Пропорциональная зависимость достигается за счет действия жесткой обратной связи.
Скорость перемещения РО таких регуляторов пропорционально скорости изменения регулируемой величины.

ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР (П-РЕГУЛЯТОР)

ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР (П-РЕГУЛЯТОР)

ИНТЕГРАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР (И-РЕГУЛЯТОР)
- АР, у которого одному и тому же значению регулируемой величины могут соответствовать различные положения РО.
Скорость перемещения РО этих регуляторов тем больше, чем больше отклонение регулируемой величины от заданного значения.
Закон регулирования предусматривает воздействие регулятора со скоростью, пропорциональной отклонению регулируемой величины.

ИНТЕГРАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР (И-РЕГУЛЯТОР)

ИНТЕГРАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР (И-РЕГУЛЯТОР)

ПРОПОРЦИОНАЛЬНО- ИНТЕГРАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР (ПИ-РЕГУЛЯТОР)
- это АР, у которых скорость перемещения РО пропорциональна как отклонению регулируемой величины, так и скорости изменения этого отклонения.
Объединяет свойства двух регуляторов:
динамические свойства П-регуляторов и лучший переходный процесс;
отсутствие статической ошибки у И-регуляторов.

ПРОПОРЦИОНАЛЬНО- ИНТЕГРАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР (ПИ-РЕГУЛЯТОР)

ПРОПОРЦИОНАЛЬНО- ИНТЕГРАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР (ПИ-РЕГУЛЯТОР)

ПРОПОРЦИОНАЛЬНО- ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР (ПД-РЕГУЛЯТОР)
За счет наличия дифференциальной составляющей, т.е. по скорости изменения сигнала, быстродействие регулятора выше, чем у П-регулятора (за счет производной).

ПРОПОРЦИОНАЛЬНО- ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР (ПД-РЕГУЛЯТОР)

ПРОПОРЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРАЛОДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР (ПИД-РЕГУЛЯТОР)
ПИД-регулятор - самый эффективный, но самый сложный в настройках и по конструкции, в связи с чем применяется только в ответственных случаях.

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ
Любая САР отвечает своему назначению, если она обеспечивает поддержание заданного значения регулируемого параметра в допустимых пределах при действии на нее различных возмущений.
Наиболее характерные возмущения – изменение нагрузки объекта, наиболее неблагоприятные по форме – скачкообразные изменения возмущения. Поэтому, если регулируемый параметр при нанесении скачкообразного возмущения на вход объекта возвращается к заданному значению, такая САР работоспособна.

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Обеспечение устойчивости - основное требование, предъявляемое к любой АСР.
Устойчивость системы – это способность восстанавливать состояние равновесия, из которого они могут быть выведены под влиянием тех или иных воздействий.
Любая АСР должна быть устойчивой.
САР, не способная восстановить равновесное состояние непригодна для практического использования.

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Устойчивость – основной показатель качества работы САР, зависит от:
статических и динамических свойств объекта регулирования;
характера возмущающих воздействий;
закона регулирования;
числовых значений настроечных параметров регулятора.

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
При всяком нарушении равновесного состояния в системе возникает переходный процесс.
Переходный процесс – это реакция замкнутой системы регулирования на изменение возмущающего воздействия.
Колебательные переходные процессы с возрастающей амплитудой колебаний неработоспособны, так как отклонение регулируемого параметра от заданного со временем возрастает, а не убывает. Такие САР являются неустойчивыми.

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Виды переходных процессов:
1. колебательный переходный процесс с наращиванием амплитуды колебаний

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Виды переходных процессов:
2. процессы на границе устойчивости (колебательные незатухающие – 3 кривая), также являются неработоспособными, так как незначительные изменения параметров объекта или регулятора могут стать причиной превращения ее в неустойчивую САР.

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Виды переходных процессов:
3. устойчивые переходные процессы

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Таким образом, устойчивыми являются системы, в которых возможны только апериодические или колебательные затухающие переходные процессы.

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Прямые качественные показатели процесса автоматического регулирования:
максимальное отклонение регулируемой величины от заданного значения (динамическая ошибка регулирования Хдин).
Динамическая ошибка зависит от динамических свойств ОР, величины возмущения, типа регулятора и его настроек.
Величина перерегулирования определяется по формуле:

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Хдин - динамическая ошибка регулирования
ХвыхЗС_1 и ХвыхЗС_2 обладают динамическими ошибками

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Хдин - динамическая ошибка регулирования
По ХвыхЗС_1 – можно определить динамическую ошибку
По ХвыхЗС_2 – нет возможности определить динамическую ошибку

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Прямые качественные показатели процесса автоматического регулирования:
Колебательность переходного процесса, связана со степенью затухания, определяется по формуле:

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Колебательность переходного процесса

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Колебательность переходного процесса

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Прямые качественные показатели процесса автоматического регулирования:
Время регулирования tр – это время, за которое регулируемая величина начинает отличаться от установившегося значения менее, чем на заранее заданное значение ±∆, определяющее точность регулирования.

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Время регулирования tр

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Прямые качественные показатели процесса автоматического регулирования:
Остаточное отклонение регулируемой величины Xст (статическая ошибка) – это время, за которое регулируемая величина начинает отличаться от установившегося значения менее, чем на заранее заданное значение, определяющее точность регулирования.

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Xст - статическая ошибка

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Xст - статическая ошибка

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Все вышеперечисленные показатели качества называются прямые показатели качества, они конкурируют между собой.
Т.е. если настраивать систему путем уменьшения времени регулирования, то это вызовет увеличение динамической ошибки и наоборот. Поэтому невозможно улучшить все показатели сразу, т.к. при воздействии на один показатель в лучшую сторону – ухудшаем другой.
Для того, чтобы учесть все показатели были разработаны интегральные показатели качества.

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Интегральные показатели качества

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Интегральные показатели качества

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Интегральные показатели качества

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Интегральные показатели качества

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Интегральные показатели качества

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Интегральные показатели качества

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Интегральные показатели качества

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Задачи при построении систем управления
Определение параметров аппроксимированной динамической характеристики объекта регулирования (коэффициент усиления объекта регулирования Kоб, постоянная времени объекта Tоб, время запаздывания τ) путем графоаналитической обработки экспериментально снятой кривой разгона;
Выбор типа регулятора;
Определение настроек регулятора.

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Задачи при построении систем управления
Под выбором типа регулятора подразумевается выбор необходимого закона регулирования.
При выборе типа регулятора определяют тип действия – непрерывного или дискретного действия.
Такие характеристики, как инерционность регулятора, а также запаздывание объекта управления также влияют на качество регулирования.

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Регулятор непрерывного действия выбирается исходя из следующих соображений:
Область применения интегральных регуляторов ограничивается объектами, допускающими относительно большое время регулирования и относительно большое максимальное отклонение регулируемой величины. И-регулятор неприменим для регулирования объектов без самовыравнивания, т.к. ни при каких значениях не может обеспечить устойчивого регулирования объекта.

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Регулятор непрерывного действия выбирается исходя из следующих соображений:
П-регуляторы применяются в тех случаях, когда либо допускается отклонение регулируемой величины от заданного значения в равновесном состоянии системы, либо допускается небольшое время регулирования (время регулирования в пределах 10τ).
ПИ-регуляторы могут применяться при любых требованиях к величине установившегося отклонения и любом диапазоне возмущающих воздействий, если допустимое время регулирования превышает 6τ.

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Регулятор непрерывного действия выбирается исходя из следующих соображений:
Для достижения времени регулирования, меньшего чем 6τ, но превышающего 4τ, необходимого использовать регуляторы с воздействием по производной, т.е. ПИД-регуляторы.

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Выбор регулятора
Характер переходного процесса в замкнутой САР определяется не только свойствами объекта и законом регулирования, но и параметрами настройки регулятора. При разных значениях настроечных параметров одного и того же регулятора можно получить достаточно большое число переходных процессов, удовлетворяющих заданным требованиям.
Таким образом, появляется некоторая неопределенность в выборе конкретных значений параметров настройки регулятора. В целях ликвидации этой неопределенности и облегчения расчета настроек вводится понятие оптимальных типовых процессов регулирования.

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Оптимальные типовые процессы регулирования
Апериодический процесс с минимальным временем регулирования.
Этот процесс предполагает, что отрабатывается возмущение (система автоматической стабилизации). В данном случае настройки подбираются так, чтобы время регулирования было минимальным. Данный вид типового процесса широко используется для настройки систем, не допускающих колебаний в замкнутой системе регулирования.

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Оптимальные типовые процессы регулирования

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ РАБОТЫ АСР
Оптимальные типовые процессы регулирования