Структурные схемы регуляторов с исполнительными механизмами различных типов

Функциональная схема замкнутой САР технологического процесса показана на рис. 6.13.

Рис. 6.13.Функциональная схема замкнутой САР технологического процесса

Регулятор содержит суммирующие устройства, командно-управляю­щее устройство (КУУ), исполнительный механизм (ИМ), обратную связь (ОС).

Выбором передаточных функций КУУ и ОС можно реализовать лю­бой закон регулирования при любом типе исполнительного механизма.

1. Если ИМ является пропорциональным звеном (с пропорцио­нальной скоростью), то можно реализовать любой линейный закон регу­лирования путем последовательного подключения к нему корректирую­щих звеньев (в составе командно-управляющего устройства КУУ).

Например, структурная схема ПИ-регулятора с последовательной коррекцией параметров настройки показана на рис. 6.14.

Рис.6.14. Структурная схема ПИ- регулятора с ИМ пропорционального типа

Передаточная функция регулятора:

,

где

.

2. Если применяется ИМ с переменной скоростью, передаточная функция которого

,

то методом последовательной коррекции реализуется лишь И-закон:

.

При этом типе ИМ, как и при любых других, для реализации линей­ных законов регулирования широко применяется параллельная коррекция с помощью обратной связи, как показано на рис. 6.15.

Рис. 6.15 Структурная схема регулятора с отрицательной обратной связью

Передаточная функция регулятора с отрицательной обратной связью

.

При К_у » 1, что обычно выполняется,

,

т.е характеристики регулятора определяются устройством обратной связи. Прямой канал (усилительное устройство, исполнительный механизм) уси­ливает входной сигнал по мощности, а маломощная корректирующая цепь обратной связи позволяет воспроизводить выбранный закон регулирова­ния при возможности изменения в широких пределах параметров на­стройки: К_п, Т_и, К_д, Т_д в П, ПД, ПИ, ПИД - регуляторах.

Определим параметры обратной связи для этих регуляторов.

П-регулятор: W_p(р)=K_п, – степень жесткой об­ратной связи (по положению РО).

Кривая разгона П-регулятора (рис. 6.16) отличается от идеальной в начальной части из-за ограниченной скорости ИМ.

Рис. 6.16.Кривая разгона реального П- регулятора

ПД-регулятор обычно получают из П-регулятора путем последова­тельной коррекции с использованием дифференциатора Д (рис. 6.17).

Поскольку W_oc(р)= , то передаточная функция при реальном диффе­ренциаторе Д будет иметь вид

Рис. 6.17. Функциональная схема ПД- регулятора

; .

Рис. 6.18. Кривая разгона реального ПД- регулятора

ПИ-регуляторможет иметь две функциональные схемы (рис. 6.19,а,б).

В варианте (а) ИМ охвачен отрицательной обратной связью, и его ха­рактеристика не влияет на формирование закона регулирования.

Рис. 6.19. Функциональные схемы ПИ-регулятора

Определим передаточную функцию ОС ПИ- регулятора рис. 6.19,а:

,

где

, ,

т.е. устройство ОС должно иметь характеристику реального дифференци­рующего звена. Такая ОС называется гибкой или упругой. Пример элек­трической ГОС приведен на рис. 6.20,а.

В варианте (б) устройство ОС охватывает только усилитель У, по­этому передаточная функция регулятора

,

откуда

,

т.е. ОС должна быть инерционным звеном первого порядка. Пример элек­трической схемы ОС приведен на рис. 6.20,б.

Рис. 6.20. Электрические схемы устройства обратной связи:

а – дифференцирующее звено; б – инерционное звено

первого порядка

ПИД-регулятор приближенно воспроизводит ПИД-закон, получа­ется из ПИ-регулятора путем последовательной или параллельной коррекции с помощью реального дифференцирующего звена с передаточной функцией

Кривая разгона ПИД-регулятора (рис. 6.21) содержит три составляю­щие: пропорциональную х_р,п, интегральную х_р,и, дифференциальную х_р,д.

Рис. 6.21. Кривая разгона ПИД- регулятора

Структурные схемы ПИД-регулятора показаны на рис. 6.22.

Рис. 6.22. Структурные схемы ПИД- регулятора, полученные коррекцией ПИ-регулятора: а- последовательной; б- параллельной

При последовательной коррекции

При параллельной коррекции

где

; .

3. Если применяется ИМ с постоянной скоростью ( =1/T_c), то формирование линейных законов регулирования обеспечивается только в пульсирующем режиме работы регулятора. Такие регуляторы относятся к релейно-импульсным. В качестве второй ступени усиления в них используется трехпозиционное реле (релейный элемент РЭ).

Функциональная схема релейно-импульсного ПИ-регулятора (рис. 6.23) соответствует варианту «б» линейного ПИ-регулятора (см. рис. 6.19,б).

В качестве устройства обратной связи ОС используется инерционное звено первого порядка с передаточной функцией

W_oc (р) =

Рис. 6.23. Функциональная схема релейно-импульсного ПИ-регулятора

и кривой разгона

,

где Т_ос=RC.

Значение сигнала на выходе У1: .

На рис. 6.24 выполнено построение кривых разгона релейно-им­пульсного ПИ-регулятора при двух значениях .

Построение кривых разгона начинается с рассмотрения сигналов х₁, х_рэ, х_ос при отключенной ОС от СЭ. Влияние ОС определяет значение х₁, следовательно, и моменты срабатывания и возврата релейного элемента У2, т.е. включения и отключения ИМ с постоянной скоростью.

Идеализированные кривые разгона х_р(t),проведенные штрих-пунктир­ными линиями, соответствуют ПИ-регулятору: при значения tg ₂>tg ₁ и х_рп2>х_рп1.

Параметры идеализированного регулятора К_п и Т_и определяются па­раметрами обратной связи К_ос и Т_ос, изменяемыми при настройке.

ПИ-закон (и другие линейные законы регулирования) реализуются только в пульсирующем режиме работы ИМ с постоянной скоростью. В зависимости от значения входного сигнала ε изменяется соотношение длительностей включенного и отключенного состояний ИМ. Математиче­ское условие возникновения пульсирующего режима регулятора при по­даче на его вход ступенчатого сигнала определяется неравенством:

,

т.е. при .

Если это условие нарушить, то регулирующий орган переместится из одного крайнего положения в другое без остановки, т.е. будет реализован Р_п-закон. Для реализации ПИД-закона в пульсирующем режиме можно использовать последовательную коррекцию ПИ-регулятора с помощью реального дифференцирующего звена, как показано на рис. 6.2, а.

Рис. 6.24. Кривые разгона релейно-импульсного ПИ-регулятора при двух значениях