Устройство и принцип работы релейно-импульсного регулятора (лекция 12)

Узел суммирования и кондуктивного разделения УСКР осуществляет суммирование с гальваническим разделением четырех унифицированных токовых сигналов и преобразует результат суммирования в постоянное напряжение. Три входа из четырех являются масштабируемыми с возможностью настройки коэффициента передачи 0≤αi≤1. Четвертый немасштабируемый вход предназначен для подключения 100 % токового задатчика.
Узел демпфирования УД фильтрует выходной сигнал УСКР от высокочастотных составляющих, появляющихся в результате действия внешних и внутренних источников помех. В итоге на выходе узла демпфирования формируется отфильтрованный сигнал напряжения, пропорциональный величине входного рассогласования.

Узел триггеров УТР определяет величину и знак входного рассогласования и формирует управляющие сигналы «БОЛЬШЕ» и «МЕНЬШЕ» в соответствии со статической характеристикой, приведенной на рис. 2.4.
Узел обратной связи УОС выполняет функции апериодического звена первого порядка с настраиваемыми значениями коэффициента передачи и постоянной времени. Данный узел организует функциональную обратную связь (рис. 2.1, а), формирующую закон регулирования (2.7).
Узел выходных усилителей УВУ предназначен для согласования выхода регулятора с различными исполнительными устройствами. Узел представляет собой двухканальную ключевую схему, работающую в двух режимах – активном и пассивном. В активном режиме узел формирует дискретные управляющие сигналы с логическими уровнями 0; 24В. Данный режим используется для управления релейными исполнительными устройствами, магнитными усилителями и т.п. Пассивный режим является параметрическим. В данном режиме используются выходные ключи, которые могут находиться в замкнутом или разомкнутом состоянии. Логической единице в этом случае будет соответствовать замкнутое состояние ключа, а логическому нулю – разомкнутое. Пассивный режим используется для управления электродвигателями исполнительных механизмов с помощью реверсивных пускателей или тиристорных усилителей.

Узел суммирования и кондуктивного разделения
Упрощенная схема узла суммирования и кондуктивного разделения приведена на рис. 2.9. Основным элементом узла является магнитный усилитель , включающий четыре обмотки управления L1 ÷ L4, две обмотки возбуждения L7, L8 и две обмотки обратной связи L5, L6. На обмотки управления L1÷ L4 поступают токовые сигналы от датчиков технологических переменных. Масштабирование тока в обмотках L2÷ L4 осуществляется с помощью резисторов R3, R5 и R7. Обмотки возбуждения L7, L8 подключены к широтно-импульсному модулятору ШИМ, работающему в автоколебательном режиме и формирующему на выходе прямоугольные колебания напряжения с постоянной амплитудой и постоянным периодом.

Соотношение длительностей положительной и отрицательной полуволн определяется величиной и знаком суммарного тока, протекающего через обмотки управления.
Если величина суммарного тока находится в пределах зоны нечувствительности, то длительности положительной и отрицательной полуволн будут одинаковы (участок I на рис. 2.10), и среднее значение UШИМ будет близко к нулю. При выходе суммарного тока за пределы зоны нечувствительности в отрицательную или положительную сторону на диаграмме будет преобладать длительность соответственно отрицательной или положительной полуволны (участки II и III на рис. 2.10).
Активный фильтр АФ, работающий по принципу интегратора, выделяет из выходного сигнала ШИМ постоянную составляющую U1 (рис. 2.10). Это напряжение подается на выход узла и на обмотки обратной связи L5, L6.

Последние стабилизируют коэффициент передачи узла на уровне Квх. В целом, статическая характеристика узла приближенно описывается уравнением:
(2.12)
где α2 ,α3 и α4 – масштабные коэффициенты по соответствующим входам, устанавливаемые резисторами R3, R5 и R7.
Узел демпфирования
Упрощенная схема узла демпфирования приведена на рис. 2.11. Узел построен на операционном усилителе А1 с инерционным звеном R1C на входе. Усилитель охвачен отрицательной обратной связью совместно с узлом триггеров. Наличие на входе усилителя инерционного звена с постоянной времени Тф= R1C придает узлу фильтрующие свойства, но, вместе с тем, в закон регулирования принудительно вводится динамическая погрешность в виде инерционности с постоянной времени Тф.

Узел триггеров
Упрощенная схема узла триггеров приведена на рис. 2.12. Узел включает в себя входной делитель R1÷R8, два операционных усилителя А1, А2 и выходной делитель R9, R10, VD1, VD2. Оба операционных усилителя охвачены положительной обратной связью и работают в триггерном режиме. Во входном делителе определяются величина и знак сигнала рассогласования, поступающего от узла демпфирования. С помощью резистора R7 настраивается ширина зоны нечувствительности Δн. Если рассогласование не превышает половины зоны нечувствительности, то оба триггера находятся в состоянии «логического нуля», и управляющие сигналы «Б» и «М» отсутствуют.

Если рассогласование выходит за пределы зоны нечувствительности, то в зависимости от знака рассогласования один из триггеров устанавливается в состояние «логической единицы», и формируется один из управляющих сигналов «Б» или «М». Управляющие сигналы передаются на узел выходных усилителей и через выходной делитель R9, R10, VD1, VD2 – на вход узла обратной связи. Выходной делитель включает в себя нелинейные элементы – полупроводниковые диоды VD1 и VD2. За счет некоторой нелинейности в канале обратной связи на статической характеристике регулятора формируются зоны возврата Δв (рис. 2.4). Эти зоны имеют фиксированную ширину.
Узел выходных усилителей
Упрощенная схема узла выходных усилителей приведена на рис. 2.13. Схема включает в себя два независимых двухкаскадных канала К1, К3 и К2, К4. Ключи К1 и К2 играют роль вспомогательных.

Логические уровни активного выхода определяются параметрами дополнительного источника питания ИП.
При поступлении управляющего сигнала «Б» замыкаются ключи К1 и К3. На активный выход «Б» подается напряжение 24В. Пассивный выход «Б» замыкается на нулевой провод.
При поступлении управляющего сигнала «М» замыкаются ключи К2 и К4. Напряжение 24В подается на активный выход «М», а пассивный выход «М» замыкается на нулевой провод.
Узел обратной связи
Согласно (2.8), узел обратной связи (рис. 2.14) представляет собой инерционное звено, построенное на операционном усилителе, с регулируемыми коэффициентом передачи и постоянной времени. Коэффициент передачи узла обратной связи настраивается резистором R1, а постоянная времени – резистором R4.

Реакция релейно-импульсного регулятора на ступенчатое входное рассогласование
Временная диаграмма реакции регулятора на ступенчатое входное рассогласование приведена на рис. 2.15. В момент времени t1 на вход регулятора поступает положительное ступенчатое рассогласование, превышающее по амплитуде половину зоны нечувствительности Δн/2. Возмущение идентифицируется узлом триггеров, который формирует управляющий сигнал «БОЛЬШЕ». Этот сигнал через узел выходных усилителей подается на исполнительный механизм и приводит его в движение (верхний график на рис. 2.15).

Одновременно с этим, управляющий сигнал через выходной делитель узла триггеров подается на вход узла обратной связи, выходное напряжение которого U3 начинает изменяться по экспоненциальному закону. В момент времени t2 сигнал обратной связи U3 компенсирует входное рассогласование, управляющий сигнал «БОЛЬШЕ» снимается, и исполнительный механизм останавливается. Начиная с этого момента, выходное напряжение узла обратной связи U3 будет падать по экспоненциальному закону, и в момент времени t3 разность рассогласования и сигнала обратной связи снова выходит за пределы зоны нечувствительности. Далее цикл повторяется, и на выходе регулятора формируется последовательность управляющих импульсов со скважностью, определяемой соотношением (2.7).
Из рис. 2.15 видно, что регулятор в комплекте с исполнительным механизмом постоянной скорости реализует ПИ-закон приближенно (реакция идеального непрерывного регулятора обозначена пунктиром). Время компенсации Δtв входного рассогласования сигналом обратной связи определяет настройку пропорциональной составляющей закона регулирования, называемую «скоростью связи»:
(2.13)
При этом, коэффициент передачи в соотношении (2.1) можно определить из выражения:
(2.14)