4.0 Автоматичні регулятори

Автоматичний регулятор – пристрій (або комплекс пристроїв) в автоматичних системах керування, який під’єднаний до об’єкта та призначений для підтримання величини, що керується, на заданому рівні або зміни її у відповідності з потрібним законом керування.

4.1 Класифікація автоматичних регуляторів

1. За видом параметру, що керуються ( температури, тиску, рівня, витрат та ін.).

2. За енергетичними ознаками:

- прямої дії (для їх дії використовують частину енергії від об’єкту керування);

- непрямої дії (енергія підводить зовні). Вони поділяються на:

а) електричні (електромеханічні, електронні). Переваги: простота реалізації складних схем автоматичного керування, швидкодія, виробіток та передача на далекі відстані керуючих сигналів. Недоліки: підвищена вартість, електронебезпека та вибухонебезпека, необхідність обслуговування кваліфікованим персоналом.

б) пневматичні. Переваги: прості в обслуговуванні, безпечні. Недоліки: необхідність додаткових джерел живлення, інерційність, обмеженість дії в просторі – до 400м.

в) гідравлічні. Переваги: надійні, розвивають великі зусилля за переміщенням. Недоліки: обмежена дія в просторі та не можливість реалізації складних автоматичних схем.

г) комбіновані – використовуються там, де треба комбінація переваг попередніх регуляторів.

3. За конструктивними ознаками:

а) апаратного типу – мають вимірювальні пристрої для контролю за дійсними значеннями величинами, що керуються;

б) приладного типу – сигнал про величину, що керується, надходить на вимірювальний прилад, одночасно проходить його з заданим значенням та видається сигнал керування;

в) агрегатного (блочного) типу – виконують різноманітні функціональні дії;

г) модульного (елементного) типу складаються з окремих модулів і виконують прості операції.

( Чіткої межі між агрегатними та модульними автоматичними регуляторами немає)

3. За дією на об’єкт:

• релейні - _об/Т_об  0,2;

- безперервні - 0,2  _об/Т_об  1,0;

- імпульсні - _об/Т_об  1,0.

4.2 Типові структури регуляторів

1. Позиційні (релейні) регулятори – працюють за принципом „ввімкнуто – вимкнено” та забезпечують фіксоване положення (позицію). Положень буває одне, два, три і більше, а регулятори – двох-, трьох- та багатопозиційні. Процес позиційного регулювання – автоколивальний, тобто величина, що регулюється відносно заданого значення, періодично змінюється. Щоб зменшити період коливань зменшують зону нечутливості, але збільшують число перемикань регулятора. В той же час зростання сталої часу збільшує період коливань і зменшує частоту перемикань регулятора.

2. Регулятори безперервної дії – в них виконання всіх операцій здійснюється в безперервній формі. В основі їх дії лежать закони регулювання – залежність між вхідними та вихідними координатами сигналів.

а) пропорційний регулятор (П-регулятор)

Передаточна функція W(p)=k. Реальний промисловий регулятор має ланку підсилення W(p)=k_п та виконавчий пристрій W(p)=1/Тр. (В динамічному відношенню виконавчий механізм є інтегруючою ланкою)

д е W_n(p) – ідеальний П-регулятор;

W_бал(p)=1/(T_балp +1) – баластна ланка.

Для зменшення впливу баластної ланки підвищують значення коефіцієнта підсилення.

Основною перевагою П-регулятора – швидкодія. Його застосовують для регулювання без самовирівнювання та в тих випадках, коли в об’єктах спостерігаються часті відхилення навантаження. Недолік: залишкове відхилення параметра, що регулюються.

б) Інтегральний регулятор (І-регулятор)

І-закон регулювання отримують в тому випадку, коли структурна схема складається з послідовно з’єднаних підсилюючої та інтегруючих ланок.

І нтегруючою ланкою виступає найчастіше гідравлічний або електричний виконавчий механізм.

Позитивна особливість – в усталеному режимі значення керуючого параметру залишається постійним, незалежно від зміни навантаження об’єкта (є астатичним). Допускають значну зміну навантаження. Недолік: великий час регулювання (не можуть застосовуватись на об’єктах без самовирівнювання).

в) пропорційно-інтегральний регулятор (ПІ-регулятор)

Розробляється в декількох варіантах:

1.

Д ля зменшення впливу виконавчого механізму на закон регулювання, введено зворотний зв’язок через ланку підсилення W_зз(p) = k_зз . Ця схема має похибку, що визначається баластною аперіодичною ланкою з сталою часу

Т_бал= Т_ВМ/ k_зз

де Т_ВМ – стала часу виконавчого механізму.

Але надмірне збільшення k_зз призводить до зменшення коефіцієнта передачі ПІ-регулятора.

2.

П І-регулятор реалізується за рахунок динамічних властивостей каналу зворотного зв’язку в частині підсилення в вигляді диференційної ланки kp/(Tp+1).

3.

П І-регулятор реалізується за рахунок динамічних властивостей каналу зворотного зв’язку як в ланці підсилення, так і в виконавчій ланці.

4.

Д инамічні властивості виконавчого механізму використані для формування пропорціонально-інтегрального закону:

Якщо , то

де k_p – коефіцієнт регулювання;

k =T/k_pT_ВМ (Т – час ізодрому)

Таким чином, введення гнучкого зворотного зв’язку вказує, що ПІ-регулятор є регулятором непрямої дії. ПІ-регулятор забезпечує стійку роботу на об’єктах без самовирівнювання, так як пропорційна складова охоплює об’єкт зворотним зв’язком і складає ефект самовирівнювання.

г) пропорціонально-інтегрально-диференціальний регулятори (ПІД-регулятори)

ПІД-регулятор на практиці отримують шляхом під’єднання блока – диференціатора до ПІ-регулятора. Блок-диференціатор видає сигнал, що пропорційний швидкості зміни параметра, який регулюється та вмикається в ланку вимірювання або керування. Існують різні схеми, наприклад:

К анал зворотного зв’язку складається з послідовно з’єднаних аперіодичної та реальної диференційної ланок.

4.3 Вибір регуляторів

Вибір регулятора залежить від властивостей об’єкту регулювання, що визначається його динамічною характеристикою.

Регулятори застосовуються:

• П-регулятор: в об’єктах з невеликим запізненням та значним навантаженням і де допускається статична похибка. П-регулятор не рекомендується при коливальному навантаженні;

• І-регулятор: на об’єктах з значним самовирівнюванням і невеликим запізненням, а також при малій і великій ємності об’єкту та при повільних змінах навантаження;

• ПІ-регулятор: в об’єктах з будь-якою ємністю, з великим запізненням (  0,1Т), а також при великих і повільних змінах навантаження;

• ПІД-регулятор: в об’єктах з будь-якою ємністю, при дуже малій статичній похибці регулювання та при суттєвому запізненні в об’єкті ( /Т = 0,2...1).

Імпульсні регулятори: в об’єктах без великих запізнень, при середній ємності об’єкта, де навантаження постійне або мало змінюється ( /Т = 0,5...10).

Двопозиційні релейні регулятори: в об’єктах з великою ємністю, без великого запізнення при постійному або мало змінному навантаженні ( /Т 0,2).