Автоматические регуляторы и их настройка. Общие сведения о промышленных системах регулирования

Министерство образования  и науки Республики Казахстан

 

ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ  им. Д. СЕРИКБАЕВА

 

Кафедра «Промышленная  энергетика»

 

 

 

 

 

 

Реферат

Тема: «Автоматические  регуляторы»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

	Руководитель           преподаватель каф. «ПЭ»        принял(а):Жапарова А.Т.
	Студент  Бабаханова М.К.            Специальность   050718 Группа 06ЭЛк

 

Усть-Каменогорск

2008

 

 

 

Содержание:

Автоматические регуляторы и их настройка. Общие сведения о  промышленных системах регулирования.

1. Выбор канала регулирования

2. Основные показатели качества регулирования

3. Типовая структурная схема регулятора

4. Классификация регуляторов

4.1. Позиционные регуляторы.

4.2. Интегральный регуляторы.

4.3. Пропорциональный регуляторы.

4.5. Пропорционально-интегральные регуляторы.

4.6. Дифференциальные регуляторы.

5. Выбор типа регулятора

6. Формульный метод определения настроек регулятора

7. Расчёт настроек по частотным характеристикам объекта

8. Экспериментальные методы настройки регулятора

9. Метод незатухающих колебаний

10. Метод затухающих колебаний

11. Регулирование при наличии шумов

12. Методы настройки двухсвязных систем регулирования

12.1. Метод автономной настройки регуляторов

12.2. Метод итеративной настройки регуляторов

12.3. Метод аналитического конструирования регуляторов

 

 

 

 

 

      Главная задача систем регулирования состоит в том, чтобы стабилизировать параметры процесса на заданном уровне при воздействии внешних возмущающих воздействий, действующих на объект управления. Этим занимаются системы автоматической стабилизации. Другой не менее важной задачей является задача обеспечения программного перехода на новые режимы работы. Решение этой проблемы осуществляется с помощью той же системы стабилизации, задание которой изменяется от программного задатчика.

Структурная схема  одноконтурной системы АР объектом управления приведена на рис.1. Основными  элементами ее являются: АР — автоматический регулятор, УМ — усилитель мощности, ИМ — исполнительный механизм, РО —  регулируемый орган, СОУ — собственно объект управления, Д — датчик, НП — нормирующий преобразователь, ЗД — задатчик, ЭС — элемент сравнения.

Переменные: Yз  — задающий сигнал, e — ошибка регулирования, U _P — выходной сигнал регулятора, U _y — управляющее напряжение, h — перемещение регулирующего органа, Q _r — расход вещества или энергии, F — возмущающее воздействие, T — регулируемый параметр, Y _ОС — сигнал обратной связи (выходное напряжение или ток преобразователя).

Нормирующий преобразователь  выполняет следующие функции:

• преобразует нестандартный сигнал датчика в стандартный выходной сигнал;
• осуществляет фильтрацию сигнала;
• осуществляет линеаризацию статической характеристики датчика с целью получения линейного диапазона.

Для расчетных целей исходную схему  упрощают до схемы, показанной на рис.2, где АР — регулятор, ОУ — объект управления.

Выбор канала регулирования 

Одним и тем же выходным параметром объекта можно управлять по разным входным каналам.

При выборе нужного канала управления исходят из следующих соображений:

• Из всех возможных регулирующих воздействий выбирают такой поток вещества или энергии, подаваемый в объект или отводимый из него, минимальное изменение которого вызывает максимальное изменение регулируемой величины, то есть коэффициент усиления по выбранному каналу должен быть, по возможности, максимальным. Тогда, по данному каналу можно обеспечить наиболее точное регулирование.
• Диапазон допустимого изменения управляющего сигнала должен быть достаточен для полной компенсации максимально возможных возмущений, возникающих в данном процессе, то есть должен быть обеспечен запас по мощности управления в данном канале.
• Выбранный канал должен иметь благоприятные динамические свойства, то есть запаздывание ₀ и отношение ₀ /T ₀ , где T ₀ — постоянная времени объекта, должны быть как можно меньшими. Кроме того, изменение статических и динамических параметров объекта по выбранному каналу при изменении нагрузки или во времени должны быть незначительными.

Основные показатели качества регулирования 

К автоматическим системам регулирования предъявляются требования не только по устойчивости процессов регулирования во всем диапазоне нагрузок на объект, но и по обеспечению определенных качественных показателей процесса автоматического регулирования. Ими являются:

• Ошибка регулирования (статистическая или среднеквадратическая составляющие).
• Время регулирования.
• Перерегулирование.
• Показатель колебательности.

Динамический коэффициент регулирования R _d , который определяется из формулы

где смысл величин Y ₀ и Y ₁ ясен из рис.3.

Величина R _d характеризует степень воздействия регулятора на процесс, то есть степень снижения динамического отклонения в системе с регулятором и без него.

Величина перерегулирования  зависит от вида отрабатываемого  сигнала. При отработке ступенчатого воздействия по сигналу задания  величина перерегулирования определяется по формуле

где значения величин X _m и X _y показаны на рис.4.

При отработке  возмущающего воздействия величина перерегулирования определяется из соотношения 

где значения величин X _m и X _y показаны на рис.5

Время регулирования — это время, за которое регулируемая величина в переходном процессе начинает отличаться от установившегося значения менее, чем на заранее заданное значение , где — точность регулирования. Настройки регулятора выбираются так, чтобы обеспечить либо минимально возможное значение общего времени регулирования, либо минимальное значение первой полуволны переходного процесса.

В некоторых системах АР наблюдается  ошибка, которая не исчезает даже по истечении длительного интервала времени — это статическая ошибка регулирования — _с .

У регуляторов с интегральной составляющей ошибки в установившемся состоянии теоретически равны нулю, но практически незначительные ошибки могут существовать из-за наличия зон нечувствительности в элементах системы.

Показатель колебательности M характеризует величину максимума модуля частотной передаточной функции замкнутой системы (на частоте резонанса)и, тем самым, характеризует колебательные свойства системы. Показатель колебательности наглядно иллюстрируется на графике рис.6.

Условно считается, что значение М=1,5…1,6 является оптимальным для промышленных систем, так как в этом случае обеспечивается в пределах от 20 до 40%. При увеличении M колебательность в системе возрастает.

В некоторых  случаях нормируется полоса пропускания системы _п , которая соответствует уровню усиления в замкнутой системе 0,05. Чем больше полоса пропускания, тем больше быстродействие замкнутой системы. Однако при этом повышается чувствительность системы к шумам в канале измерения и возрастает дисперсия ошибки регулирования.

При настройке  регуляторов можно получить достаточно большое число переходных процессов, удовлетворяющих заданным требованиям. Таким образом, появляется некоторая  неопределенность в выборе конкретных значений параметров настройки регулятора. С целью ликвидации этой неопределенности и облегчения расчета настроек вводится понятие оптимальных типовых процессов регулирования.

Выделяют три  типовых процесса:

1. Апериодический процесс с минимальным временем регулирования (рис.7). Этот типовой процесс предполагает, что отрабатывается возмущение F (система автоматической стабилизации). В данном случае настройки подбираются так, чтобы время регулирования t _p было минимальным. Данный вид типового процесса широко используется для настройки систем, не допускающих колебаний в замкнутой системе регулирования.

2. Процесс с 20-процентным перерегулированием и минимальным временем первого полупериода (рис.8). Такой процесс применяется для настройки большинства промышленных САР, так как он соединяет в себе достаточно высокое быстродействие (t1=min) при ограниченной колебательности ( =20%).

3. Процесс, обеспечивающий минимум интегрального критерия качества (рис.9). Интегральный критерий качества выражается формулой

где e — ошибка регулирования.

К достоинствам этого процесса можно отнести  высокое быстродействие (1-й полуволны) при довольно значительной колебательности. Кроме этого, оптимизация этого критерия по параметрам настройки регулятора может быть выполнена аналитически, численно или путем моделирования (на АВМ).

Типовая структурная схема регулятора

Автоматический регулятор (рис.10) состоит из: ЗУ — задающего устройства, СУ - сравнивающего устройства, УПУ — усилительно-преобразующего устройства, БН — блока настроек.

Задающее устройство должно вырабатывать высокостабильный сигнал задания (установку  регулятора) либо изменять его по определенной программе. Сравнивающее устройство позволяет  сопоставлять сигнал задания с сигналом обратной связи и тем самым  сформировать величину ошибки регулирования e p . Усилительно-преобразующее устройство состоит из блока формирования алгоритма регулирования, блока настройки параметров этого алгоритма и усилителя мощности.

Классификация регуляторов

Автоматичекские регуляторы классифицируются по разным признакам. Например:

• по виду регулируемого параметра: регуляторы давления, расход, уровня , температуры и так далее;
• по роду действия: регуляторы прерывистые и не прерывистые;
• по способу действия: регуляторы косвенного и прямого действия.

Эти виды классификации регуляторов  не являются определяющими, так как  не характеризуют их свойства. Основной признак, по которому классифицируютсярегуляторы независимо от принадлежности к одной  из перечисленных выше групп, является характеристика действия, то есть зависимость между изменением регулируемой величины и перемещением регулирующего органа.

По характеристике действия регуляторы подразделяются на следующие:

• позиционные (Пз) регуляторы;
• интегральные (И) регуляторы;
• пропорциональные (П) регуляторы;
• пропорционально-интегральные (ПИ) регуляторы;
• дифференциальные (Д) регуляторы (пропорционально-дифференциальные (ПД), пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы).

Входной величиной регулятора является сигнал, пропорциональный разности между заданным и текущим значениями управляемой (регулируемой) величины; выходной – положение регулирующего органа. 

Позиционные регуляторы.

Автоматические регуляторы (АР), у которых регулирующий орган может занимать ограниченное число определенных положений, называются позиционным. Позиционные (Пз) регуляторы относятся к группе регуляторов прерывистого действия. Чаще всего применяется двух- или трехпозиционные регуляторы.

У двухпозиционных регуляторов, в  зависимости от знака отклонения управляемой величины, регулирующий орган либо полностью открыт, либо полностью закрыт. У двухпозиционных регуляторов, кроме двух крайних, регулирующий орган имеет еще одно (среднее) положение, что способствует более плавному изменению управляемой величины и сокращению числа срабатываний регулирующего органа в единицу времени.

Рис. 7.2 Принципиальная схема (а) и статическая  характеристика (б) Пз регулятора:  
а) 1-объект; 2-10 трубы; 3-регулирующий клапан; 4-сердечник; 5-шток; 6-поплавок; 7-рычаг-контакт; 8,9-передвижные упоры-контакты; 11-пружина.  
б) I–заданное значение; II-нейтральная зона; 1-6 точки характеристики.

Принцип действия Пз регулятора следующий. Например, в объекте управления – бак 1 по трубе 2 подается жидкость, а по трубе 10 она расходуется потребителем (рис.7.2а).

Чувствительный элемент регулятора – поплавок 6 измеряет уровень в  баке; текущее значение уровня определяется положением штока 5 и жестко с ним соединенного рычага – контакта 7, который через пружину 11 соединен с источником питания напряжением U. Заданные значения верхнего и нижнего уровней определяются положением передвижных упоров – контактов 8 и 9, устанавливаемых вручную.

При подъеме уровня выше заданного  контакта 7 замкнется с контактом 8 и под напряжением окажется обмотка Б тягового электромагнита, благодаря чему сердечник 4 мгновенно переместится вверх, что приведут к закрытию регулирующего органа 3 (клапана). При понижении уровня ниже заданного контакт 7 замкнется с контактом 9, под напряжением окажется обмотка А тягового электромагнита, якорь 4 переместится вниз, что приведет к открытию регулирующего органа. Приведенная схема является примером двухпозиционного регулирования.

Уравнения регулятора:

m=0 при Dy> 0 и m =1 при D y< 0.

Из статическая характеристика двухпозиционного регулятора (рис.7.2,б) видно, что повышение уровня в  баке соответствует перемещению  по точкам 1,2,3,4; точки 2 и 3 соответствуют  мгновенному перемещению регулирующего органа из положения “открыто” в положение “закрыто”, когда замкнутся котакты 7 и 8. Понижение уровня соответствует перемещению по точкам 4,5,6,1 статической характеристики.

 Интегральный регуляторы.

Автоматические регуляторы, у которых одному и тому же значению регулируемой величины могут соответствовать различные положения регулирующего органа, называется интегральными, или астатическими (astatos – неустойчивый, беспокойный).

Скорость перемещения регулирующего  органа этих регуляторов, тем больше, чем больше отклонение регулируемой величины от заданного значения.

Рассмотрим принцип работа регулятора на примере принципиальной схемы  гидравлического И-регулятора косвенного действия (рис.7.3). При изменении давления p в трубопроводе изменяется давление на сильфон 1, дно которого перемещается, что ведет к повороту рычага АВС относительно точки А и перемещению поршней золотника 2 вверх или вниз. Когда p больше заданного, тогда дно сильфона переместится вниз, рычаг АВС повернется по часовой стрелке, поршни золотника отпустятся также вниз и масло под давлениемначнет поступать из камеры e цилиндра золотникового устройства в полость m цилиндра исполнительного механизма 7. Поршнь исполнительного механизма (ИМ), связанный штоком с регулирующим органом (шибер) 6, начнет перемещаться вверх, увеличивая степень открытия шибера; это поведет к снижению давленият p. В результате снижения давления сильфон 1 разжимается, возвращая рычаг АВС в исходном положение, поршни золотника перекрывают доступ масла в цилиндр ИМ, регулирующее действие прекращается.

Во время перемещения поршня ИМ вверх масло из полости n цилиндра вытесняется по трубке через камеру d цилиндра золотникового устройства и срабатывается на слив 5. Слившееся масло очищается и вновь подается в камеру e специальной насосной установкой.

Рис. 7.3 Принципиальная схема И–регулятора косвенного действия:  
1-сильфон; 2-золотник; 3-подача масла под давлением; 4,9-вентили; 5-слив масла; 6-регулирующий орган; 7-испольнительный механизм; 8-задатчик.

Если предположить, что давление p стало ниже заданного, то дно сильфона 1 переместится вверх, рычаг АВС повернется против часовой стрелки, переместив поршни золотника вверх, и масло через полoсть e будет поступать в полость n цилиндра ИМ. Это поведет к закрытиюшибера и увеличению давления p. При этом масло из полости цилиндра ИМ через полость f цилиндра золотникового устройства поступает на слив.

Заданное значение регулируемой величины устанавливается с помощью задатчика 8. Когда усилия, развиваемые сильфоном и пружиной задатчика, равны рычаг АВС находится в нейтральном положении и масло из камеры e не поступает в цилиндр ИМ.

В И-регуляторах отсуствует обратная связь, они просты по устройству. Важнейшей их особенностью является то, что независимо от величины нагрузки регулируемого объекта они приводят регулируемую величину к заданному значению. И-регуляторы имеют некоторые недостатки, обусловлеными их динамическими свойствами. Малое отклонение регулируемой величины от заданного значения, И-регулятор продолжать перемещать регулирующий орган вплоть до положения полного открытия или закрытия.Перемена направления движения РО наступает лишь тогда, когда регулируемая величина проходит заданное значение.

Закон регулирования предусматривает  воздействие регулятора со скоростью, пропорционально отклонению регулируемой величины, и описывается уравнением

Здесь S₀ –специально рассчитываемый настроечный параметр регулятора. Знак минус означает, что при положительном отклонении регулируемой величины РО перемещается в сторону закрытия, а при отрицательном отклонении (уменшения против заданного значения) – в сторону открытия.

Уравнение регулятора в интегральной форме:

Передаточная функция регулятора имеет вид

На рис 7.4,а показана статическая  характеристика И-регулятора. Когда  регулируемая величина y ниже заданного значения, регулирующий орган m находится в крайнем нижнем положения. Как только регулируемая величина достигнет заданного значения, РО начнет перемещатся в сторону открытия и может остановиться в любой точке вертикального отрезка характеристик.

Начиная с момента t₀ , когда регулируемая величина y скачкообразно изменилась, РО перемещается с постоянной скоростью, изменяя приток (рис.7.4, б).

Рис. 7.4 Характеристики И – регулятора:  
а- статическая; б-кривая разгона; в- переходный процесс.

В результате действия регулятора регулируемая величина y приходит к заданному значению через некоторое время t_р называемое временем регулирования; причем переходный процесс является колебательным, затухающим (рис.7.4, в).

И–регулятор применяется только в  системах самовыравниванием, в противном  случае система будет неустойчивой.

Рис. 7.5 Принципиальная схема (а) и динамическая характеристика (б) И –регулятора  прямого действия: 
1-трубопровод; 2-груз; 3-рычаг; 4-мембрана; 5-шток; 6-регулирующий орган; 7-корпус; 8-импульсная линия; 9-вентиль.

На рис.7.5,а показано схема И-регулятора прямого действия. На трубопроводе 1 с помощью фланцевых и болтовых соединений укреплен корпус регулятор 7. Если регулируемая величина – давления p после регулятора – будет изменяться, изменение давления через импульсную линию 8 и вентиль 9 будет передаваться на мембрану 4 ИМ, связанную с РО 6 с помощью штока 5. В точке m имеется шарнир, соединяющий шток с рычагом 3, на котором укреплен груз 2, являющийся задающим устройством. Регулируемое давлание p зависит от притока среды, т.е. от степени открытия РО 6. Когда p равно заданному значению, усилия, развиваемые мембранной 4 и грузом 2, равны, и шток 5 неподвижен. При увеличении или уменьшении давления по сравнению с задданным шток и РО 6 будет перемещатся соответственно вниз или вверх. Скорость перемешения пропорцинальна отклонению фактической величины регулируемого давлания от заданной.

Как видно из графика (рис 7.5,б) при  изменении нагрузки x объекта в момент t₀ начинает изменяться регулируемая величина y и перемещаться регулирующий орган. Изменение перемещения регулирующего органа происходит в момент перемены знака регулируемой величины (точки t₁ ,t₂).

Пропорциональный регуляторы.

Автоматические регуляторы, у которых отключение регулируемой величины от заданного значения вызывает перемещение регулирующего органа на величину, пропорциональную величине этого отклонения, называются пропорциональными, или статическому (statos -стоящий). Каждому значению регулируемого параметра соответствует одно определенное положение регулирующего органа. Эта пропорциональная зависимость достигается за счет действия жесткой обратной связи, поэтому П-регуляторы называются также регуляторами с жесткой обратной связью. Скорость перемещения регулирующего органа таких регуляторов пропорцианально скорости изменения регулируемой величины. П-регуляторы как и интегральные, могут быть косвенного и прямого действия.

Схема П-регулятора (рис.-7.6) отличается от схемы И-регулятора тем, что рычаг  АВС не имеет шарнира в точке  А, а с помощью штока 8 соединен с поршнем ИМ 7. Это соединение и образуют жесткую обратную связь.

В результате возмущающего воздействия, которое приводит к возрастанию  давления p в трубопроводе, точка С переместится в положение С^’, а точка В – в положение В^’- и рычаг займет положение АВ^’С^’. При этом поршни золотника 2 смесиятся вниз и масло начнет поступать в полость mцилиндра исполнительного механизма, перемещая поршень ИМ, а в месте с ним и регулирующий орган 6 вверх. Вместе с поршнем изменяется положение А в положение А^’ (вверх) переместится левый конец рычага АВС, точка В^’ возвратится в положение В, а поршени золотника 2 возвратятся в исходное положение, перекрыв доступ масла в исполнительный механизма. На этом процесс регулирования закончится.

Рис. 7.6 Принципиальная схема П-регулятора косвенного действия: 
1-сильфон; 2-золотник; 3-вход масла под давлением; 4-вентиль; 5-слив масла; 6-регулирующий орган; 7-испольнительный механизам; 8-шток; 9-задатчик.

Измерительный узел (сильфон 1) и механизм обратной связи воздействуют на РО практически одновременно. Поэтому  перемещение РО надо рассматривать  как результатдействия измерительной  системы, уменьшенный на какую-то величину обратной связью.

Быстродействие П-регулятора, чем И-регулятора, сравнительно быстро стабилизирует процесс и приводит систему в равновесное состояние.

Простейший статический регулятор  представляет собой усилительное звено  и описывается уравнением

Здесь S₁–настроечный параметр (коэффициент усиления) П-регулятора.

Передаточная функция П-регулятора .

;

Рис. 7.7 Характеристики П-регулятора:  
а-статические; б-кривая разгона; в-переходные процессы; 
1-статическая ошибка невелика; 2-статическая ошибка несколько больше; 3-статическая ошибка большая.

Статические и динамические характеристики П-регулятора изображено в рис. 7.7. Из семейство статических характеристик (рис. 7.7,а), видно, что РО начинает перемещаться только при достижении регулируемой величиной нижнего предела пропорциональности. Предположим, что регулируемая величина соответствует 50% шкалы регулятора, а предел пропорциональности настроен на 40% (d=40%). Регулирующий орган занимает среднее положение (d=50% хода). Этому положению соответствует точка А на характеристике. Если теперь регулируемая величина начнет возрастать, то регулирующий орган станет перемещаться в сторону закрытия.

Кривая разгона П-регулятора (рис. 7.7,б) аналогична усилительному звену. Если в момент времени t₀ регулируемая величина y скачкообразно изменится (например, возрастет), регулирующий орган также скачкообразно переместится (m) в сторjну закрытия.

На характеристики переходных процессов  в автоматической системе с П-регулятором в сильной степени влияют установленные пределы пропорциональности. С увеличением коэффициента усиления S₁, или, что то же, с уменьшением предела пропорциональности d переходный процесс протекает в виде медленно затухающих колебаний, а статическая ошибка Y_ст невелика (рис. 7.7,в кривая 1). При оптимальном для данного объекта коэффициенте усиления S₁ переходный процесс быстро затухает, однако статическая ошибка Y_ст несколько возрастает (рис. 7.7,в кривая 2). Если коэффициент усиления S₁ слишкам мал (d-велик), то переходный процесс может стать апериодическим с большой статической ошибкой (рис. 7.7,в кривая 2).

Величина статической ошибки зависит  как от настройки регулятора, так  и от характеристики и режима работы объекта. Настройка регулятора на необходимую величину d (рис.7.6) произвидится путем изменения соотношения плеч BC и AB рычага ABC. Чем меньше AB, тем больше d.

Пропорциональные регуляторы могут  применяться для управления процессами, протекающими в объектах, как обладающих, так и не обладающих самовыравниванием. При этом нужно иметь в виду, что изменения нагрузки должны быть невелики, чтобы статическая ошибка оставалась в допустимых пределах.

Рис. 7.8 Принципиальная схема (а) и динамическая характеристика (б) П-регулятора прямого  действия: 
1-трубопровод; 2-мебрана; 3-винт; 4-пружина; 5-шток; 6-регулирующий орган; 7-импульсная линия; 8-корпус.

На рис. 7.8 показано схема П-регулятора прямого действия. В отличие от И-регулятора, у П-регулятора прямого действия усилие, развиваемое мембраной, уравновешивается не грузом, а пружиной 4; чем больше отклонение давления p от заданного значения, тем сильнее прогибается мембрана, но тем плотнее сжимается пружина, противодействуя прогибу; этим и достигается пропорциональность между регулируемой величиной и перемещением РО.

При увелечении нагрузки Q объекта  в момент времени t_о регулируемая величина Y возрастает, но, благодаря перемещению регулирующего органа в сторону закрытия, через некоторое время t_р она стабилизируется (рис. 7.8,б). Однако в силу статической ошибки ее величина будет отличаться от заданного значения на Y_уст. 

Пропорционально-интегральные регуляторы.

Сравнение П-регуляторов и И-регуляторов показывает, что первые обладает преимуществом по динамическим свойствам и обеспечивают лучший переходный процесс регулирования; преимущество вторых –отсутствие статической ошибке, т.е. лучшие статические свойства.