39811

Типовые законы управления и регуляторы

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Регулятором является устройство анализирующее состояние объекта управления и вырабатывающее управляющее воздействие. В зависимости от поставленных задач и объекта управления выбирается структура и параметры регулятора. Законом управления регулирования называется описывающее регулятор дифференциальное уравнение.

Русский

2013-10-08

302 KB

24 чел.

Типовые законы управления и регуляторы.

Регулятором является устройство, анализирующее состояние объекта управления и вырабатывающее управляющее воздействие. В зависимости от поставленных задач и объекта управления, выбирается структура и параметры регулятора. Законом управления (регулирования) называется описывающее регулятор дифференциальное уравнение. Типовыми считаются следующие законы управления и регуляторы.

  1.  Пропорциональный регулятор.
  2.  Интегрирующий регулятор.
  3.  Пропорционально - интегрирующий регулятор.
  4.  Дифференцирующий регулятор.
  5.  Пропорционально - дифференцирующий регулятор.
  6.  Пропорционально - интегро- дифференцирующий регулятор.

Операторный метод.

Индуктивность: .

Емкость:

Пропорциональный регулятор.

Автоматическое регулирование, при котором сигнал управления пропорционален отклонению регулируемой величины, называется пропорциональным.

(на рисунке представлена структура регулятора).

Достоинства: работают с любым объектом управления, наиболее просты.

Недостатки: наличие статической ошибки, среднее быстродействие.

ОУ представляет собой усилитель постоянного тока в интегральном исполнении. Zвх, Zос – в операторной форме.

Схема регулирования давления воздуха в емкости V с пневматическим пропорциональным регулятором. Измерителем служит манометрическая трубка 1, шарнирно связанная с рычагом 2, который несет на себе заслонку 10 усилительного пневмоэлемента типа сопло-заслонка. Питание рабочего воздуха к пневмоэлементу подается через пневмосопротивление 9. Давление, устанавливающееся между элементами 9 и 10, является выходным; через пневмоусилитель регулятора 8 оно подается к сервомотору 7 регулирующего органа и в наружную полость сильфона 4 жесткой отрицательной обратной связи регулятора. Между этой полостью и выходной магистралью сопротивления нет, так что давление здесь меняется одновременно с входным; оно приводит к появлению на рычаге 2 момента, противоположного по знаку момента со стороны трубки 1. Рычажная система регулятора приходит в равновесие, когда на рычаге 2 момент со стороны измерителя 1 уравновешивается моментом со стороны штока 3 обратной связи. В результате этого каждому значению давления Рвх на входе регулятора соответствует определенное давление Рвых на выходе.

Интегрирующий регулятор (сигнал пропорционален интегралу ошибки).

ТИ – время изодрома, за которое на выходе интегрирующего блока сигнал достигает номинального значения при номинальном входном.

Достоинства: исключает статическую ошибку.

Недостатки: плохие динамические характеристики, невозможность работы с интегральными объектами управления.

Отдельно используются редко: в СУ мощными, сильно инерционными электроприводами.

Пропорционально - интегрирующий регулятор.

Достоинства: прост, устраняет статическую ошибку.

Пропорциональная составляющая формируется за счет сигнала, поступающего в наружную полость сильфона 4. Между этой полостью и выходной магистралью сопротивлений нет, так что давление здесь изменяется одновременно с выходным; оно приводит к появлению на рычаге 2 момента, который противоположен по знаку моменту со стороны трубки 1.

Интегральная составляющая формируется за счет сигнала, поступающего в наружную полость сильфона 11 через дроссель 5. Эффект действия дросселя состоит в замедлении процесса накапливания в этой полости давления, уменьшающего действие пропорциональной составляющей. Изменение давления в наружной полости сильфона 11 приводит к появлению на рычаге 2 момента, совпадающего по знаку с моментом со стороны измерителя 1, в результате чего выходное давление регулятора дополнительно изменяется на некоторое значение в том же направлении, что и от входного сигнала Рвх. Давления в коробках сильфонов 4 и 11 выравнятся, когда давление Рвх возвратится к значению, существовавшему в предшествовавшем установившемся режиме, в то время как управляющее давление Рвых достигнет значение, соответствующего новой нагрузке.

Дифференцирующий регулятор.

Информация о том, каковы знак и величина производной от отклонения регулируемой величины по времени в данный момент времени позволяет прогнозировать  изменение этой величины.

, то есть управляющее воздействие пропорционально скорости изменения ошибки регулирования или производной от ошибки. Для этих регуляторов характерно то, что в статических режимах они не работают, и имеет место разрыв обратной связи. На практике их поэтому не применяют.

Пропорционально-дифференцирующий регулятор.

Тд – постоянная времени дифференцирования, время предварения. Регулятор предваряет изменение регулируемого параметра, улучшая управление. При изменении регулируемого параметра в сигнале управляющего воздействия появляется дополнительная составляющая, препятствующая изменению регулируемого параметра. ПД регулятор улучшает переходный процесс, сглаживая колебания.

Рассмотрим схему пневматического ПД-регулятора. Отличие от П-регулятора состоит в дросселе 6, установленном в регуляторе с предварением перед камерой сильфона 4 обратной связи. Измерителем входного воздействия Рвх служит манометрическая трубка 1, связанная с рычагом 2. Величина управляющего сигнала между пневмосопротивлением 9 и элементо сопло-заслонка 10 зависит от зазора между соплом и заслонкой, измеряющемуся десятыми долями миллиметра. При бездействии ОС регулятора даже небольшие изменения Рвх способны вызывать существенные изменения Рвых. Рвых после пневмоусилителя 8 подается к сервомотору 7 и в систему ОС, состоящей из дросселя 6, сильфона 4 и штока 3, присоединяемого к рычагу 2. В статике давление по обе стороны дросселя 6 уравнено, и регулятор работает как П-регулятор, а в динамике, когда действие ОС блокировано дросселем 6 с очень большим коэффициентом усиления, то есть имеет место дифференцирование. По мере уменьшения разности давлений на дросселе 6 этот коэффициент уменьшается, возвращаясь к такому же значению, как и при пропорциональном регуляторе. Пусть входное давление регулятора увеличилось на Δрвх . В первый момент зазор между соплом и заслонкой 10 резко уменьшится, так как ООС, выражающаяся в появлении на рычаге 2 усилия, противоположного усилию со стороны трубки 1, из-за дросселя 6 не вступила в работу. Выходное давление регулятора в этот начальный момент изменится на величину

Δрвых1 =Кд Δрвх, где Кд – коэффициент усиления в динамике. Настолько же в начальный момент увеличится и давление сжатого воздуха перед дросселем 6; давление в наружней полости сильфона 4 станет повышаться со скоростью, пропорциональной степени открытия и разности давлений по обе стороны этого дросселя.

Регулятор с предварением заканчивает свою работу как пропорциональный, а начинает с того, что сообщает процессу, протекающему в объекте, возможно большее ускорение.

Пропорциональный интегро – дифференцирующий регулятор.

Регулятор имеет наиболее сложную структуру, но обеспечивает наилучший переходный процесс, с нулевой статической ошибкой.

Измерительная трубка Бурдона 1 подает импульс Рвх на рычаг 2, изменяя зазор элемента сопло-заслонки. Сигнал между элементом 10 и пневмосопротивлением 9 резко возрастает, формируя сигнал по производной, и подается на пневмоусилитель 8, далее на сервомотор 7. Помере уравнивания давления на дросселе 5 сильфон 11 через шток 12 увеличивает сигнал на входе усилителя, устраняя статическую ошибку. Таким образом дросселем 6 можно регулировать время предварения Тд, а дросселем 5 – время изодрома или постоянную времени интегрирования.