Автоматические регуляторы (стр. 1 из 2)
1. Автоматические регуляторы и законы регулирования
Автоматическим регулятором называется устройство, обеспечивающее в системах автоматического регулирования (АСР) поддержание технологической величины объекта, характеризующей протекание в нем процесса около заданного значения путем воздействия на объект.
Заданное значение может иметь постоянную величину (в системах стабилизации) или изменяться по определенной программе (в системах программного регулирования).
Структурная схема регулятора может быть представлена как совокупность двух элементов (рис.1): элемента сравнения 1 и элемента 2, формирующего алгоритм (закон) регулирования.
 |
На элемент сравнения 1 поступают два сигнала у и узд, пропорциональные, соответственно, текущему и заданному значениям регулируемой величины. Сигнал у формируется измерительным преобразователем, а сигнал узд – задатчиком или программным устройством.
Сигнал рассогласования
(1)поступает в элемент 2, который вырабатывает выходной сигнал регулятора, направляемый на исполнительное устройство.
Регуляторы могут быть с прямой и обратной характеристикой. Если с увеличением у относительно узд выходная величина u увеличивается, то регулятор имеет прямую характеристику, а если уменьшается, то – обратную характеристику. Переход с прямой характеристики на обратную и наоборот в регуляторах осуществляют при помощи специального переключателя.
Отрицательную обратную связь в замкнутом контуре АСР формируют посредством применения регуляторов с прямой или обратной характеристикой.
Законом регулирования называется зависимость между изменением выходной величины регулятора u и рассогласованием текущего у и узд значений регулируемой величины.
По законам регулирования аналоговые регуляторы делят на пропорциональные, пропорционально-интегральные, пропорционально-дифференциальные и пропорционально-интегрально-дифференциальные.
2. Пропорциональные регуляторы
Закон регулирования пропорционального регулятора имеет вид
(2)где 
- коэффициент передачи (усиления) регулятора; u0-выходная величина регулятора в начальный момент времени.
Коэффициент передачи регулятора является параметром настройки регулятора. Изменяя ,можно изменить степень воздействия регулятора на объект.
 |
Структурная схема П-регулятора представляет звено с большим коэффициентом усиления
(k=10000¸40000), охваченное по отрицательной обратной связи усилительным звеном с коэффициентом koc.Передаточная функция П-регулятора, приведённого на рис. 2, равна
(3)Из выражения (3) видно, что чем меньше коэффициент kос (степень воздействия отрицательной обратной связи), тем больше изменяется выходная величина регулятора при определенном рассогласовании.
Динамические характеристики П-регулятора при ступенчатом изменении входного сигнала и различных значениях kp приведены на рис. 3.
Согласно уравнению (2) выходной сигнал регулятора для зависимостей 1 и 2 будет равен:
(3)  |
К достоинствам пропорционального регулятора следует отнести его безынерционность (или быстродействие). Это выражается в том, что его выходная величина изменяется одновременно с изменением входной величины. Оптимальное значение параметра настройки регулятора, как и для других регуляторов определяется выбранным переходным процессом АСР, заданными параметрами качества регулирования и устанавливается в зависимости от свойств объекта регулирования.
Недостатком П-регулятора является то, что при работе в замкнутом контуре АСР регулятор не возвращает регулируемую величину к заданному значению, а приводит к новому положению равновесия со статической ошибкой регулирования пропорциональной коэффициенту передачи по каналу «возмущающее воздействие – регулируемая величина» и обратно пропорциональной kp. Увеличение kp при работе на объектах с запаздыванием приводит к неустойчивому режиму работы АСР.
3. Пропорционально-интегральные регуляторы
Выходная величина пропорционально-интегральных регуляторов (ПИ-регуляторов) изменяется под действием суммы двух составляющих: пропорциональной и интегральной.
Закон регулирования ПИ-регуляторов с независимыми параметрами настройки описываются равенством:
, (4)где kp – коэффициент передачи регулятора;
Ти – время интегрирования.
По физическому смыслу Ти – это время, в течение которого изменение выходного сигнала регулятора под действием интегральной составляющей достигает ступенчатого изменения его входной величины.
ПИ-регулятор имеет два параметра настройки – kp и Ти.
Динамическая характеристика ПИ-регулятора (рис.4) представляет сумму пропорциональной и интегральной составляющих.
 |
Из рисунка видно, что с увеличением Тu степень воздействия интегральной составляющей уменьшается.
Структурная схема ПИ-регулятора с независимыми параметрами настройки приведена на рис. 5.
 |
Передаточная функция этого регулятора описывается уравнением
(5)В промышленности широко используются также регуляторы с зависимыми параметрами настройки (изодромные регуляторы), уравнение динамики которых имеет вид:
, (6)где kp–коэффициент передачи регулятора;
Тиз–время изодрома регулятора.
 |
По физическому смыслу Тиз – это время, в течение которого при ступенчатом изменении входной величины выходная величина регулятора под действием интегральной составляющей изменяется на такую же величину, как и под действием пропорциональной составляющей.
Динамические характеристики изодромного регулятора приведены на рис.6.
 |
Структурная схема изодромного регулятора представлена на рис. 7.
Передаточная функция приведенной структурной схемы находится по равенству
Обозначая
через kp, получим 
(7)ПИ-регуляторы по сравнению с П-регуляторами обладают меньшим быстродействием. Вместе с тем, вследствие отсутствия статической ошибки при работе в замкнутом контуре АСР,они обеспечивают более качественное регулирование. Это обуславливается тем, что интегральная составляющая регулятора будет действовать до тех пор, пока рассогласование не станет равным нулю.
К регуляторам с опережением ( с воздействием по производной) относят пропорционально-дифференциальные и пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПД- и ПИД-) регуляторы.
Закон регулирования ПД-регулятора с независимыми параметрами настройки описывается уравнением
, (8)где
– время дифференцирования.Динамическая характеристика ПД-регулятора, описываемого уравнением (8), при подаче на его вход входного сигнала, изменяющегося с постоянной скоростью
, представлена на рис. 8.