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.