4. Автоматические регуляторы

4.1. Общие положения

Автоматические регуляторы (АР) в системах автоматики выполняют функции управляющих устройств: они вырабатывают управляющие сигналы для поддержания регулируемых величин (технологических параметров) на заданном уровне либо изменения их по определенному закону, а также могут обеспечивать функции индикации, сигнализации и ручного управления процессом.

В технической литературе используются разные понятия АР: «регулирующий прибор», «регулирующий блок», «регулятор промышленный», «регулирующее устройство». Состав их элементов и выполняемые ими функциональные задачи имеют в ряде случаев существенные различия. Поэтому для понимания сущности АР, на современном этапе их развития, целесообразно воспользоваться обобщенной функциональной структурой регулятора, представленной на рис. 4.1.

Элементы (модули) АР выполняют в разных регуляторах различный набор операций. Так модуль ввода МВ информационных сигналов в общем случае может выполнять следующие операции: потенциальное разделение сигналов (разделение по входу), их масштабирование, фильтрацию, функциональные преобразования (нелинейные, логические, динамические, математические), запоминание и др.

Сумматор является входным элементом регулятора, определяющим величину и знак рассогласования:

,

где – заданное и измеренное значения регулируемой величины.

Рис. 4.1. Обобщенная функциональная структура автоматического регулятора: МВ – модуль ввода сигналов от датчиков контролируемых параметров ( ); ЗД – задатчик значения регулируемой величины (модуль формирования заданий); – сумматор сигналов задания и контролируемых величин; МР – модуль формирования сигнала регулирования; МВВ – модуль вывода сигналов регулятора

В модуле МР вырабатывается сигнал регулирования . При этом над сигналом рассогласования выполняются такие операции, как усиление, демпфирование, нелинейные и динамические преобразования в соответствии с требуемым законом регулирования (например, ПИД-преобразование) и другие.

Выходной модуль МВВ в общем случае осуществляет над сигналом такие операции, как усиление по мощности, ограничение по максимуму и минимуму, потенциальное разделение выходных цепей регулятора и цепей исполнительных устройств (разделение по выходу), а также может обеспечивать ручное управление исполнительным механизмом, безударный переход с автоматического режима управления на ручной и обратно, сигнализацию предельных значений выходного сигнала, индикацию сигналов  и .

Выходной сигнал регулятора поступает в исполнительное устройство системы регулирования, которое изменяет поток энергии или вещества, подводимый к объекту, осуществляя тем самым процесс регулирования технологического параметра.

По способу технической реализации закона регулирования различают аппаратные (регуляторы с жестким алгоритмом функционирования) и программируемые (регуляторы с гибким алгоритмом функционирования) АР. Достоинством последних являются широкие функциональные возможности и быстрый переход с одного закона управления на другой.

По конструктивному исполнению АР могут быть приборными (для щитового монтажа), шкафными (для монтажа в шкафу) и контейнерными (для настенного монтажа).

По виду и уровню входного сигнала различают АР с естественными входными сигналами, получаемыми от измерительных преобразователей, и АР с унифицированными входными сигналами, например 0–5 мА, получаемыми от нормирующих преобразователей или датчиков с унифицированным выходом.

По роду используемой энергии АР могут быть электрическими, пневматическими, гидравлическими или комбинированными, например электрогидравлическими.

По характеру изменения выходного сигнала АР могут быть непрерывного действия (аналоговые) и прерывистого действия (дискретные). К последним относятся позиционные, импульсные и цифровые регуляторы. Позиционные регуляторы формируют выходной сигнал, принимающий значения или 0. Их применяют для регулирования параметров объектов, обладающих большой емкостью и малым запаздыванием, например, для регулирования температуры тепловых объектов. Импульсные регуляторы целесообразно использовать для регулирования медленно протекающих процессов в объектах, обладающих большой инерционностью и значительным запаздыванием. Их выходной сигнал представляет собой последовательность импульсов постоянной частоты с изменяемой в функции рассогласования, как правило, длительностью.

В аналоговых регуляторах выходной сигнал является непрерывной функцией рассогласования. В цифровых регуляторах выходной сигнал представлен числом (кодом), изменяющимся в зависимости от величины и знака рассогласования.

По типу закона регулирования АР делятся на нелинейные (сигнал регулирования этих АР является нелинейной функцией рассогласования) и линейные. Последние по алгоритму регулирования, реализуемого регулятором, могут быть пропорциональными (П), пропорционально-интегральными (ПИ), пропорционально-интегрально-дифференциальными (ПИД).

Самонастраивающиеся АР могут изменять автоматически свои параметры настройки и/или структуру в зависимости от состояния и условий функционирования управляемого объекта.

Таким образом, в настоящее время имеется большое разнообразие автоматических регуляторов, позволяющих решать задачи автоматического регулирования для различных технологических объектов и условий функционирования.