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

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.