4.3. Позиционные регуляторы

Позиционными, или релейными, называют регуляторы, у которых при изменении входной величины выходная величина может принимать только определенные, заранее известные значения. Эти регуляторы осуществляют ступенчатое управляющее воздействие.

Наибольшее распространение получили двухпозиционные регуля­торы, у которых выходная величина может принимать только два значения: минимальное (0 или –1) и максимальное (1). Примеры двухпозиционных регуляторов: электроконтактный термометр, элект­роконтактный манометр, пневмореле, электронный регулятор-сигнализатор уровня ЭРСУ-2 и др.

Статические характеристики двухпозиционного регулятора с зоной нечувствительности приведены на рис. 4.5. Выраже­ние для характеристики регулятора в абсолютных величинах имеет вид:

где – сигнал датчика (измеренное значение регулируемого параметра); – заданное значение регулируемого параметра.

Статическая характеристика для Пз-регулятора в относительных величинах может быть записана в виде:

Условия перехода:

а) снизу вверх:

б) сверху вниз:

где – выходной сигнал регулятора в относительных единицах; – рассогласование в относительных единицах; – базовые величины.

При непрерывном произвольном изменении технологического параметра (сигнала х_д) выходной сигнал регулятора изменяется скачкообразно (рис. 4.6). Наличие зоны нечувствительности δ в регуляторе приводит к запаздыванию его переключения относительно моментов срабатывания для идеального регулятора (при δ = 0 изменение выходного сигнала двухпозиционного регулятора показано на рис. 4.6, б пунктиром).

Процесс регулирования в двухпозиционных САР носит колебательный характер. Его параметры (амплитуда и частота колебаний, отклонение оси колебаний регулируемого параметра от его заданного значения, моменты и частота переключений регулятора) определяются как параметрами объекта регулирования, так и параметрами настройки регулятора (шириной зоны нечувствительности δ, величиной амплитуды регулирующего воздействия ). Уменьшение δ снижает амплитуду колебаний регулируемой величины, но увеличивает частоту переключений регулятора.

Двухпозиционные регуляторы применяют в тех случаях, когда допускаются отклонения регулируемой величины и колебательный характер ее изменения.

В качестве примера двухпозиционного регулирования рассмотрим задачу автоматического поддержания уровня воды в емкости (баке) системы водоснабжения. Принципиальная схема САР уровня приведена на рис. 4.7, а.

Система включает в себя насос Н с электродвигателем М, магнитный пускатель КМ, позиционный регулятор Пз, поплавковый датчик Д, бак с задвижкой З. Изменение потребления воды приводит к изменению регулируемого параметра уровня воды в баке h.

При достижении поплавком минимально заданного значения уровня – отметки , регулятор формирует сигнал U_p, включающий с помощью магнитного пускателя электродвигатель насоса. Производительность насоса должна превышать максимально возможный расход воды, т.е. Поэтому при работе насоса уровень воды в баке повышается и при достижении им отметки регулятор отключает пускатель и соответственно насос.

Процесс регулирования уровня воды в баке для некоторого постоянного значения потребления воды представлен графиком рис. 4.7, б. Характер изменения регулирующего воздействия (производительности насоса) показан на рис. 4.7, в. Величина принимает два значения: номинальное при включении насоса и нулевое при его отключении .

Рис. 4.5. Статические характеристики двухпозиционного регулятора с зоной нечувствительности: а – в абсолютных величинах; б – в относительных величинах

Рис. 4.6. Графики изменения входного (а) и выходного (б) сигналов двухпозиционного регулятора с зоной нечувствительности в абсолютных величинах

Рис. 4.7. Принципиальная схема (а), графики изменения регулируемой величины (б) и регулирующего воздействия (в) в двухпозиционной САР уровня воды в системе водоснабжения

Трехпозиционные регуляторы формируют выходной сигнал, принимающий три значения: минимальное (–1), промежуточное (0) и максимальное (+1). Они имеют статическую характеристику трехпозиционного реле.

Трехпозиционный регулятор (рис. 4.8, а) содержит: а) задатчик ЗД, формирующий минимальное и максимальное заданные значения регулируемой величины; б) аналого-позиционный преобразователь АПП, сравнивающий сигнал датчика c заданием и по результатам сравнения формирующий скачкообразно изменяемые сигналы на увеличение регулируемой величины при и на ее уменьшение при (рис. 4.8, б); в) выходные узлы, содержащие каждый усилитель Ус и исполнительный элемент ИЭ (реле или транзистор в режиме ключа), усиливающие по уровню и мощности сигналы АПП.

Рис. 4.8. Трехпозиционный регулятор (а) и характеристика его АПП (б)

Выходные сигналы регулятора Б и М, соответственно, на увеличение и уменьшение регулируемой величины, поступают на исполнительный механизм постоянной скорости системы регулирования. Эти сигналы в зависимости от значения регулируемой величины изменяются аналогично сигналам и , т.е. регулирующее воздействие изменяется только при выходе регулируемой величины из зоны, ограниченной ее минимальным и максимальным заданными значениями.

В отличие от двухпозиционного регулирования в системе с трехпозиционным регулированием возможно прекращение автоколебательного процесса и достижение равновесного состояния, если соблюдается неравенство , т.е. регулируемая величина находится в пределах зоны нечувствительности регулятора.

Пз-регуляторы несложны по конструкции, надежны в работе, просты в обслуживании и настройке. Их применяют на инерционных объектах с малым запаздыванием.