курс - тема
Автоматични регулатори в системите за управление и тяхната настройка. Част 2. Автоматични регулатори и техните настройки. Общи сведения за индустриалните системи за управление
Основната задача на системите за управление е да стабилизират параметрите на процеса на дадено ниво под въздействието на външни смущаващи влияния, действащи върху обекта на управление. Това става чрез системи за автоматична стабилизация. Друга също толкова важна задача е задачата за осигуряване на софтуерен преход към нови режими на работа. Решението на този проблем се извършва с помощта на същата система за стабилизиране, чиято настройка варира от програмния генератор.
Блоковата схема на едноконтурна система AR от обекта на управление е показана на фиг.1. Основните му елементи са: AR - автоматичен регулатор, UM - усилвател на мощността, IM - изпълнителен механизъм, RO - регулиран орган, SOU - действителният обект на управление, D - датчик, NP - нормализиращ преобразувател, ZD - master, ES - елемент за сравнение.
Променливи: Yz - сигнал за настройка, e - грешка при управление, UP - изходен сигнал на контролера, Uy - управляващо напрежение, h - движение на регулаторния орган, Qr - консумация на вещество или енергия, F - смущаващ ефект, T - контролиран параметър, YOS - сигнал за обратна връзка (изходно напрежение или ток на преобразувателя).
Нормализиращият преобразувател изпълнява следните функции:
преобразува нестандартен сензорен сигнал в стандартен изходен сигнал;
извършва филтриране на сигнала;
извършва линеаризация на статичната характеристика на сензора с цел получаване на линеен диапазон.
За целите на изчислението оригиналната схема е опростена до схемата, показана на Фиг. 2, където AR е контролерът, OS е контролният обект.
Изборрегулационен канал
Един и същ изходен параметър на даден обект може да се управлява от различни входни канали.
При избора на желания канал за управление се вземат предвид следните съображения:
От всички възможни управляващи действия се избира, доставя или отвежда от обекта такъв поток от материя или енергия, чиято минимална промяна предизвиква максимална промяна в контролираната стойност, т.е. усилването на избрания канал трябва да бъде, ако е възможно, максимално. След това на този канал можете да предоставите най-точното регулиране.
Диапазонът на допустимата промяна на управляващия сигнал трябва да бъде достатъчен, за да компенсира напълно максималните възможни смущения, които възникват в този процес, т.е. трябва да се осигури марж на контролната мощност в този канал.
Избраният канал трябва да има благоприятни динамични свойства, тоест закъснението 0 и отношението 0/T0, където T0 е времевата константа на обекта, трябва да бъдат възможно най-малки. Освен това промяната в статичните и динамичните параметри на обекта по протежение на избрания канал с промяна на натоварването или с течение на времето трябва да бъде незначителна.
Основни показатели за качество на регулирането
Към системите за автоматично управление се налагат изисквания не само за стабилността на процесите на управление в целия диапазон от натоварвания на обекта, но и за осигуряване на определени показатели за качество на процеса на автоматично управление.Те са:
Грешка в регулирането (статистически или средноквадратични компоненти).
Коефициент на динамично управление R d, който се определя от формулата
където значението на величините Y 0 и Y1 е ясно от фиг.3.
След това стойността R d характеризира степента на влияние на регулатора върху процесае степента, до която се намалява динамичното отклонение в система с и без регулатор.
Степента на превишаване зависи от вида на обработения сигнал. При разработване на стъпковото действие според сигнала на задачата стойността на превишаването се определя по формулата
където стойностите на X m и Xy са показани на фиг.4.
При изчисляване на смущаващия ефект стойността на превишение се определя от връзката
където стойностите на X m и X y са показани на фиг. 5
Време за регулиране е времето, през което контролираната стойност в преходния процес започва да се различава от постоянната стойност с по-малко от предварително определена стойност , където е точността на регулиране. Настройките на контролера се избират така, че да осигурят или минималната възможна стойност на общото време за регулиране, или минималната стойност на първата полувълна на преходния процес.
В някои AP системи се наблюдава грешка, която не изчезва дори след дълъг период от време - това естатична контролна грешка - s.
За регулатори с интегрален компонент грешките в стационарно състояние теоретично са равни на нула, но могат да съществуват практически незначителни грешки поради наличието на мъртви зони в елементите на системата.
Индексът на трептене M характеризира величината на максималния модул на честотната трансферна функция на затворена система (при резонансната честота) и по този начин характеризира осцилаторните свойства на системата. Индексът на флуктуация е ясно илюстриран на графиката на фиг.6.
Традиционно се счита, че стойността на M=1,51,6 е оптимална за промишлени системи, тъй като в този случай се осигурява в диапазона от 20 до 40%. С нарастването на M трептенията в систематасе увеличава.
В някои случаи честотната лента на системата p се нормализира, което съответства на нивото на усилване в затворена система от 0,05. Колкото по-голяма е честотната лента, толкова по-голяма е скоростта на затворената система. Това обаче повишава чувствителността на системата към шума в измервателния канал и увеличава дисперсията на грешката на управление.
Когато регулирате регулаторите, можете да получите доста голям брой преходни процеси, които отговарят на определените изисквания. По този начин има известна несигурност при избора на конкретни стойности на настройките на контролера. За да се елиминира тази несигурност и да се улесни изчисляването на настройките, се въвежда концепцията за оптимални типични процеси на управление.
Има три типични процеса:
Апериодичен процес с минимално контролно време (фиг. 7). Този типичен процес предполага, че смущението F (автоматична система за стабилизиране) се разработва. В този случай настройките са избрани така, че контролното време t p да е минимално. Този тип типичен процес се използва широко за създаване на системи, които не позволяват колебания в затворена система за управление.
Процес с 20% превишаване и минимално време на първия полуцикъл (фиг. 8). Такъв процес се използва за настройка на повечето промишлени ACS, тъй като съчетава доста висока скорост (t1=min) с ограничени колебания (=20%).
Процес, който осигурява минимум от интегралния критерий за качество (фиг. 9). Интегралният критерий за качество се изразява с формулата
където e е грешката на управлението.
Предимствата на този процес включват висока скорост (1-ва полувълна) с доста значително колебание.В допълнение, оптимизирането на този критерий по отношение на настройките на контролера може да се извърши аналитично, числено или чрез моделиране (на AVM).
Типова блокова схема на регулатора
Автоматичният регулатор (фиг. 10) се състои от: памет - главно устройство, SU - сравнително устройство, UPA - усилвателно-преобразуващо устройство, BN - настройващо устройство.
Задвижващото устройство трябва да генерира високо стабилен референтен сигнал (настройка на контролера) или да го промени според специфична програма. Компараторът позволява да се сравни еталонният сигнал със сигнала за обратна връзка и по този начин да се формира стойността на контролната грешка e p . Усилвателно-преобразуващото устройство се състои от блок за генериране на алгоритъм за управление, блок за настройка на параметрите на този алгоритъм и усилвател на мощност.
Автоматичните регулатори се класифицират според предназначението, принципа на действие, конструктивните особености, вида на използваната енергия, характера на изменението на регулиращото действие и др.
Според принципа на действие те се разделят на регулатори на пряко и непряко действие. Регулаторите с пряко действие не използват външна енергия за процесите на управление, а използват енергията на самия обект на управление (регулирана среда). Пример за такива регулатори са регулаторите на налягането. В автоматичните регулатори на непряко действие е необходим външен източник на захранване за неговата работа.
Според характера на действие регулаторите се делят на непрекъснати и дискретни. Дискретните контролери от своя страна се делят на релейни, цифрови и импулсни.
Според вида на използваната енергия се делят на електронни, пневматични, хидравлични, механични и комбинирани. Изборът на регулатора според вида на използваната енергия се определя от природатаобект на регулиране и характеристики на автоматичната система.
Според закона за управление се разделят на дву- и трипозиционни регулатори, типични регулатори (интегрални, пропорционални, пропорционално-диференциални, пропорционално-интегрални и пропорционално-интегрално-диференциални регулатори - съкратено I, P, PD, PI и PID регулатори), регулатори с променлива структура, адаптивни (самонастройващи се) и оптимални регулатори. Двупозиционните регулатори са широко използвани поради тяхната простота и ниска цена.
Според вида на изпълняваните функции регулаторите се разделят на автоматични стабилизиращи регулатори, програмни, коригиращи, регулатори на съотношението на параметрите и др.
Избор на тип регулатор
Задачата на проектанта е да избере такъв тип регулатор, който да осигури желаното качество на регулиране при минимални разходи и максимална надеждност.
За да изберете типа регулатор и да определите неговите настройки, трябва да знаете:
Статични и динамични характеристики на обекта на управление.
Изисквания към качеството на регулаторния процес.
Регулаторни показатели за качество на серийни регулатори.
Естеството на смущенията, действащи върху процеса на регулиране.
Изборът на тип контролер обикновено започва с най-простите двупозиционни контролери и може да завърши със самонастройващи се микропроцесорни контролери.
Помислете за показателите за качество на серийните регулатори. Непрекъснатите регулатори, които прилагат законите за управление I, P, PI и PID, се приемат за последователни.
Теоретично, с усложняването на закона за регулиране, качеството на системата се подобрява. Известно е, че динамиката на управление се влияе най-много от стойносттаотношението на закъснението към времеконстантата на обекта с . Ефективността на компенсиране на стъпаловидно смущение от регулатора може да се характеризира доста точно със стойността на динамичния коефициент на управление R d , а скоростта на реагиране може да се характеризира със стойността на времето за управление. Теоретично в система със закъснение минималното време за управление е tpvin=2/.
Минималното възможно време за регулиране за различните видове регулатори с тяхната оптимална настройка се определя от таблица 1.