Автоматическое регулирование – это автоматическое обеспечение заданных значений параметров, определяющих требуемое протекание управляемого процесса в соответствии с установленной программой.
Параметры управляемого процесса, подлежащие заданным изменениям или стабилизации — называют регулируемыми параметрами.
Устройство, обеспечивающее автоматическое поддержание заданного значения — регулируемого параметра в управляемом объекте или его изменения по определенному закону, называют регулятором.
Всякий технологический процесс характеризуется определенными физическими величинами. Для обеспечения требуемого режима работы эти величины необходимо поддерживать постоянными или изменять по тому или иному закону.
Физические величины, определяющие ход технологического процесса — называются параметрами технологического процесса.
Так параметрами технологического процесса могут быть давление, температура, уровень жидкости, концентрация вещества, расход вещества или энергии, скорость изменения какой-либо величины и т.п.
Параметр технологического процесса, который необходимо поддерживать постоянным или изменять по определенному закону — называется регулируемой величиной или регулируемым параметром.
Аппарат, машина, агрегат или процесс в котором регулируются те или иные параметры технологического процесса — называются объектом регулирования или регулируемым объектом.
Значение регулируемой величины, которое оператор стремится получить в установившемся режиме от находящейся в равновесии системы регулирования при заранее заданных режимах ее работы — называется заданным значением.
Значение же регулируемой величины в рассматриваемый момент времени — называется ее мгновенным или истинным значением.
Регулятор, как часть системы автоматического регулирования САР
Рисунок 1.
Задатчик — устройство, предназначенное для задания значения регулируемой величины.
Чувствительный элемент (датчик) – устройство, реагирующее на изменение регулируемой величины и предназначенное для преобразования значения регулируемого параметра (температура, давление, расход, уровень) в сигнал понятный регулятору (ток, напряжение, пневмосигнал линейное перемещение).
Регулирующий орган – устройство, с помощью которого регулятор может влиять на изменение величины регулируемого параметра (клапана, шибера, пускатели, реле и т.п.). Регулирующий орган изменяет количество вещества или энергии, подводимых к объекту или отводимых от него
Внешние возмущающие воздействие — это внешние воздействия на систему, т.е. причины, вызывающие отклонения регулируемой величины от заданного значения.
Примеры внешних возмущающих воздействий:
Расход продукта в трубе (F) зависит от разности давлений P1 и P2. Если изменится хотя бы одно давление, то изменится и расход.
При смешении продуктов температура t зависит от температур t1 и t2 и количества Q1 и Q2 смешиваемых продуктов. При изменении одного из этих параметров приведет к изменению температуры продукта t.
На регулятор приходит два сигнала: заданное значение (от задатчика) и истинное значение (от датчика) регулируемого параметра. Разность этих сигналов называется рассогласованием или отклонением (ε). Регулятор определяет величину рассогласования и в соответствии с заложенным в него алгоритмом (см. Алгоритмы работы регуляторов) вырабатывает управляющее воздействие на регулирующий орган. Регулирующий орган влияет на значение регулируемого параметра (приоткрывая или прикрывая регулирующий клапан, увеличивает или уменьшает значение регулируемого параметра). Кроме этого на значение регулируемого параметра влияют также внешние возмущающие воздействия. Очевидно, необходимость в регулировании возникает вследствие появления внешних возмущающих воздействий, так как при их отсутствии регулируемая величина не изменялась бы.
Следовательно, задача регулирования сводится к устранению отклонения регулируемой величины от требуемого значения при любых внешних возмущениях.
Алгоритмы работы регуляторов
Алгоритм работы любого регулятора может быть основан на законах регулирования:
— пропорциональный (П)
— интегральный (И)
— пропорционально — интегральный (ПИ)
— пропорционально — дифференциальный (ПД)
— пропорционально – интегрально – дифференциальный (ПИД)
Пропорциональные регуляторы (П-регуляторы) воздействуют на регулирующий орган пропорционально отклонению регулируемой величины от заданного значения
y=kx,
где y – управляющее воздействие регулятора; x – регулируемая величина; k – коэффициент пропорциональности (передачи).
Интегральные регуляторы (И-регуляторы) воздействуют на регулирующий орган пропорционально интегралу от отклонения регулируемой величины
где kp, — коэффициент передачи регулятора по скорости.
В И-регуляторе скорость перемещения исполнительного механизма (скорость воздействия на регулирующий орган) пропорциональна отклонению регулируемой величины.
Коэффициент передачи регулятора kp численно равен скорости перемещения исполнительного механизма при отклонении регулируемой величины на единицу ее измерения.
Так как интегральный регулятор может иметь два органа настройки (например, скорости перемещения собственно интегрирующего исполнительного механизма и коэффициента механической передачи между исполнительным механизмом и регулирующим органом), то уравнение закона регулирования интегрального регулятора запишется также в виде
Величина k называется коэффициентом пропорциональности, Ти постоянная времени интегрирования.
Пропорционально – интегральный регулятор (ПИ – регулятор) представляет собой совокупность пропорционального и интегрального регуляторов
Постоянная времени Ти определяет величину составляющей регулирующего воздействия, пропорциональной интегралу от отклонения регулируемой величины x , и численно равна времени удвоения регулятора kx0, т.е. времени, в течении которого первоначальное значение выходной величины регулятора равное , удваивается в следствии действия одной только его интегральной части (рисунок 2)
Скорость перемещения исполнительного механизма в ПИ – регуляторе пропорциональна как скорости изменения регулируемой величины, так и самому изменению регулируемой величины.
Если при настройке ПИ – регулятора установить очень большую величину постоянной времени Ти, то он превратится в П – регулятор.
Если при настройке регулятора установить очень малые значения k и Ти, но при этом так, чтобы их отношение k/Ти имело существенную величину, получим И – регулятор с коэффициентом передачи по скорости k/Ти .
Закон регулирования ПИ – регулятора представлен на рисунке 2.
Параметрами настройки ПИ – регулятора являются коэффициент пропорциональности k и постоянная времени интегрирования Ти.
Пропорционально – дифференциальные регуляторы (ПД — регуляторы) оказывают воздействие на регулирующий орган пропорционально отклонению регулируемой величины и скорости ее отклонения
Постоянная времени Тд называется постоянной времени дифференцирования. Она определяет величину составляющей регулирующего воздействия по скорости.
Пропорционально – интегрально – дифференциальные регуляторы (ПИД – регуляторы) воздействуют на регулирующий орган пропорционально отклонению x регулируемой величины, интегралу этого отклонения и скорости изменения регулируемой величины
При скачкообразном изменении регулируемой величины идеальный ПИД – регулятор в начальный момент времени оказывает мгновенное бесконечно большое воздействие на регулирующий орган; затем величина воздействия мгновенно падает до значения, определяемого пропорциональной частью регулятора, после чего, как и в ПИ – регуляторе, постепенно начинает оказывать свое влияние интегральная составляющая регулятора.
Параметрами настройки регулятора являются:
коэффициент пропорциональности регулятора k,
постоянная времени интегрирования Ти,
постоянная времени дифференцирования Тд.
Этот регулятор по возможности настройки является более универсальным по сравнению с другими регуляторами. С его помощью можно осуществлять различные законы регулирования.
Так при Тд=0 и бесконечно большой величине Ти , получаем П – регулятор. При Тд=0, устанавливая достаточно малые значения k и Ти , но так, чтобы отношение значения k /Ти имело существенную величину, получаем И – регулятор. Так при Тд=0 и конечных значениях k и Ти имеем ПИ – регулятор. При бесконечно большой величине Ти и конечных значениях k иТд получаем ПД – регулятор.
Приборы — регуляторы
Регуляторы по роду используемого сигнала бывают механическими, пневматическими, гидравлическими, электронными.
Механические регуляторы
В механических регуляторах схемы выполнены на рычагах, пружинах и т.п. В большинстве случаев механический регулятор содержит помимо схемы регулятора еще и датчик, и регулирующий орган. Механические регуляторы являются специализированными – предназначены для регулирования только определенного технологического параметра. Так, например регулятором давления нельзя регулировать расход. Механические регуляторы не имеют информационных выходных каналов, поэтому результаты их работы нельзя вывести на компьютер оператора.
Преимущества механических регуляторов
Механические регуляторы не требуют настройки. Механические регуляторы просты в использовании, необходимо только задать необходимое значение технологического параметра, с помощью задатчика (рычажка, вращающейся рукоятки и т.п.). Механические регуляторы достаточно надежны в эксплуатации.
Пневматические регуляторы
В пневматических регуляторах схемы сделаны из мембран, сильфонов и пневматических элементов логики (УСЭППА). Носителем сигнала в пневматических регуляторах является давление воздуха от 0,2 до 1 кгс/см2 . Конструктивно пневматический регулятор представляет из себя устройство имеющее входы для подключения датчика и выход для подключения регулирующего органа. Эти регуляторы так же, как и механические, не имеют информационных выходных каналов и результаты их работы нельзя вывести на компьютер оператора.
Гидравлические регуляторы
Гидравлические регуляторы по принципу работы идентичны пневматическим, только в качестве сигнала используется давление жидкости.
Электронные регуляторы
Электронный регулятор представляют собой законченное устройство, выполненное на полупроводниковых элементах. Информация в электронном регуляторе представлена в виде ого электрического сигнала (тока или напряжения). Поэтому стало возможным вынести из электронного регулятора датчик и регулирующий орган, а в корпусе регулятора оставить только схемы регулирования. Кроме того в большинстве случаев сигналы от датчика к регулятору и от регулятора к исполнительному органу являются унифицированными (0 — 5 мА, 0 — 20 мА, 4 — 20 мА). Исходя из этого к электронным регуляторам можно подключать датчики, измеряющие разные технологические параметры и имеющие разные шкалы. Кроме этого к электронным регуляторам можно подключать регулирующие органы, имеющие разное конструктивное исполнение. Это делает электронные регулятор более универсальными в отличии от механических. В настоящее время электронные регуляторы оснащены информационными каналами, с помощью которых можно отслеживать их работу с помощью компьютера оператора.
Электронные регуляторы могут быть реализованы двумя способами:
— реализующие алгоритм управления схемотехническим путем (схемные)
— реализующие алгоритм управления программным путем (программные)
Алгоритм регулирования схемных регуляторов закладывается в них при создании на заводе и не может быть изменен в ходе эксплуатации.
С методикой настройки регуляторов вы можете ознакомиться здесь и здесь