Позиционные регуляторы обеспечивают хорошее качество регулирования для объектов с малым запаздыванием, не требуют настройки и просты в эксплуатации. Эти регуляторы применяются наиболее часто.
Регуляторы с позиционным (релейным)
законом регулирования
Структурная схема позиционной
системы авторегулирования (САР) показана на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема САР:
U, d - вектора заданий и зон нечувствительности;
X, Y - вектор регулируемой величины и выходной сигнал регулирования
Данные
типы регуляторов еще называют Т-регуляторами. Они бывают с двухпозиционным
и трехпозиционным законом регулирования.
Двухпозиционные
имеют дискретную выходную величину Y типа вкл./выкл. (например, включение/выключение
нагревателя). Т-регулятор включает или выключает выходное реле в зависимости
от того, достигла или не достигла регулируемая величина заданного значения.
Трехпозиционные
регуляторы имеют дискретную выходную величину Y с двумя точками переключения
типа вкл./выкл. и зоной нечувствительности (например, реверсивное управление
сервоприводом) см. рис. 7.
Динамические свойства объектов и выбор типа регулятора
Для их определения на практике чаще всего используют методику снятия переходной харак-теристики, которая излагается ниже.
Требуется, чтобы система находилась в покое и отсутствовали внешние возмущения.
На вход исполнительного органа подается ступенчатое воздействие Y, в результате чего состояние объекта представляет собой некоторый процесс X(t) – переходную характеристику (см. рис. 2).
Рис. 2.Переходные процессы для объектов с различными свойствами:
to - время транспортного запаздывания;
tи - постоянная времени (время согласования) определяется инерционностью объекта;
Xy - установившееся значение;
R - наклон разгонной кривой dX/dt (макс. скорость изменения Х)
По виду этого переходного
процесса объекты можно подразделить на несколько основных категорий.
1. Объекты
с малой инерционностью и без запаздывания (tи < 5 мин).
2. Объекты
с инерционностью и с малым запаздыванием (to/tи < 0,1).
Исходя из соотношения
to/tи и выбирается тип регулятора. Причем, Т-регулятор можно применять,
если tо/tи < 0,1.
Проиллюстрировать основные понятия to, tи, R можно
на примере САР с водяным отоплением, изображенной на рис. 3.
Блок-схема САР водяным отоплением
с управлением задвижкой
Величина транспортного
запаздывания tо определяется временем притока воды в батарею из отопительной
сети и временем распространения теплового потока в воздухе.
Инерционность
tи определяется объемом помещения V. Следовательно, уменьшая длину трубопровода
и приближая датчик к батарее мы можем снизить соотношение to/tи и упростить
задачу регулирования.
nbsp; Итак, при соотношении
to/tи<0,1 можно применять позиционные регуляторы – они не требуют настройки
и обеспечивают при этом соотношении малый уход от заданной температуры.
Например, они используются
для регулирования температуры воды в баках, в пастеризаторах, для управления
нагревом печи Ш2ХПА-25 хлебозавода, в сушильных камерах ЖБК, в саунах и
пр.
Ниже в табл. 1 описаны параметры
некоторых объектов, для управления которыми можно применять Т-регуляторы.
|
Таблица 1
|
||||
| Объект | to | tи | MAX знач. Х | R |
| Муфельная печь | 0,5-5 мин. | 5-60 мин. | 2000оС | 1-0,2С/сек |
| <Дист. колонна | 1,5-10 мин. | 50-90 мин. | 100оС | 0,1-0,5 С/сек |
| Автоклав, 3 м3 | 0,5-1,0 мин | 50-90 мин. | 110оС | 0,1-0,5 С/сек |
| Автоклав 400 атм. | 12-18 мин | 150-230 мин | 1000оС | 0,1-0,5 С/сек |
| Произв. цех вод. отопл. | 5-10 мин. | 50-90 мин. | 30оС | 0,05-0,1 С/мин |
Алгоритмы позиционного регулирования
Рис. 4. Статическая характеристика
двухпозиционного регулятора L-типа
Выходная
величина Y равна максимальному воздействию (нагреватель включен) при Е
= X-U<-d, Y = 0 при E>d, где d – порог.
Процесс регулирования
представляет собой колебание вокруг задания (см. рис. 5). Частота и амплитуда
определяются величинами to, R, tи, d.
Рис. 5. Процессы регулирования
САР с Т-законом
Для объектов
с большой инерционностью tи и с малым запаздыванием to регулирование происходит
с постоянными колебаниями до 5-15% от U.
Чем больше d, to/tи, R, тем больше амплитуда колебаний.
Чем больше tо и tи, тем больше период колебаний.
Виды позиционных регуляторов
Рис. 6. Виды двухпозиционных регуляторов
Вид а) применяется
для вентиляции, в холодильниках и пр.
Вид б) обычно
применяется в различных нагревательных приборах, термошкафах, баках и т.п.
Виды в) и
г) применяются для сигнализации выхода системы на рабочий режим. Эти регуляторы
еще называют компараторами.
Применяются также
многопозиционные регуляторы.
Трехпозиционные
регуляторы применяются для управления сервоприводом, а также для регулирования
микроклимата подогревателем и вентилятором (см. рис. 7). Четырехпозиционный
регулятор применяют для улучшения точности регулирования.
Рис. 7. Многопозиционные регуляторы:
а) трехпозиционный регулятор; б) четырехпозиционный регулятор
Вид закона регулирования удобно задавать в виде таблицы
решений:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица решений состоит
из одного или нескольких столбцов Р-номера области
регулируемого параметра Х, столбца S1 старого состояния САР, S нового состояния
САР и Y – одного или нескольких столбцов выходных сигналов.
Так, например, Т-регулятор
типа б) может быть задан в виде таблицы решений для позиционного регулятора
типа б).
В этой таблице,
если X<U-d, то Р1=1
если U+d >X>U-d, то Р1=2
если X>U+d, то Р1=3
«-» означает, что это значение не играет роли;
Y1=1 означает включение реле.
Легко заметить,
что замена нормально-разомкнутых контактов выходного реле нормально-замк-нутыми
переводит регулятор типа б) в тип а). Т.е. выход Y следует инвертировать:
в таблице решений «1» заменить на «0» и наоборот.
Следует отметить, что таблицы решений можно эффективно
применять для программирования очень сложных алгоритмов регулирования.
Способы увеличения точности регулирования
Для улучшения процесса регулирования, т.е. для уменьшения отклонений Х от задания U необходимо уменьшать транспортное запаздывание to и инерционность ti системы регулирования. Это можно сделать, изменив конструкцию объекта регулирования или соответствующим образом разместив датчик (например вблизи нагревателя).
При прочих равных условиях, чем больше Xmax - максимально-возможное значение регулируемой величины, тем больше колебания в позиционных регуляторах. Это значение следует установить по возможности равным верхней границе диапазона регулирования.
Эти же рассуждения также относятся и к нижней границе диапазона. Т.е. установив постоянный нагреватель и подключив подогреватель к регулятору можно существенно улучшить характеристики САР.
Если, тем не менее, требуется широкий диапазон регулирования, можно применить четырехпозицион-ный регулятор, подключив к нему два элемента, один из которых в два раза мощнее другого.
Достоинства микропроцессорных Т-регуляторов
– сохранение уставок в цифровом виде в энергонезависимом ОЗУ (в аналоговых регуляторах подстроечные резисторы меняют свои параметры в течение эксплуатации, что приводит к ненадежной работе);
– внешнее управление уставками;
– в одном устройстве можно реализовать несколько регуляторов (обычно до 4-х);
– повышение точности измере-ния регулируемой величины в широком диапазоне за счет цифровой коррекции нелинейности датчика;
– цифровая индикация регулируемой величины и уставок;
– возможность задания сложных программ техпроцесса, предусматривающих нагрев, выдержку и остывание с заданной скоростью, переход от одной уставки на другую по таймеру;
– наличие микропроцессора позволяет быстро адаптировать серийный регулятор под заказчика.
Кроме того, микропроцессорные регуляторы обладают дополнительными сервисными функциями без увеличения стоимости:
– документирование и регистрация параметров на принтере;
– связь с компьютером с возможностью контроля или перенастройки регулятора;
– объединение регуляторов в контрольно-измерительные системы;
Следует отметить, что позиционные регуляторы часто используют не для непосредственного регулирования, а для вспомогательных нужд. Например L-регулятор может запрещать вентиляцию при очень низкой температуре на улице или отсутствии центрального отопления.
Недостатки Т-регуляторов
Алексея ХОРОШАВЦЕВА