4.4. Импульсные регуляторы

Импульсный регулятор представляет собой сочетание импульсного регулирующего устройства с интегрирующим исполнительным элементом, в качестве которого чаще всего используются электрические исполнительные механизмы с постоянной скоростью движения. В промышленности нашли широкое применение регулирующие устройства с импульсным выходом типа РП4-У, РБИ-1, образующие импульсный ПИ-регулятор совместно с электродвигательным исполнительным элементом постоянной скорости.

Импульсные РУ формируют на выходе последовательность импульсов напряжения постоянного тока, которые управляют исполнительным механизмом по принципу «включено-выключено». Длительность импульсов, а следовательно, и время работы ИМ в цикле, пропорциональны величине рассогласования.

Рассмотрим, в качестве примера, принцип действия импульсного регулятора типа РП4-У, представленного в виде структурной алгоритмической схемы на рис. 4.9. Регулятор включает в себя: а) задатчик; б) сравнивающий элемент, представленный сумматором Σ ; в) фильтр с передаточной функцией ; г) трехпозиционный релейный элемент ТРЭ, охваченный отрицательной обратной связью ООС с передаточной функцией ; д) исполнительный механизм постоянной скорости с передаточной функцией .

Основу РУ образует трехпозиционный релейный элемент с динамической обратной связью, имеющий следующие параметры:

– зоны, соответственно, нечувствительности и возврата;

– пороги, соответственно, срабатывания и отпускания;

– минимальная длительность включения ТРЭ;

– амплитуда выходного импульса.

Входным сигналом ТРЭ является разность сигналов рассогласования ε и обратной связи z. ТРЭ срабатывает при , а отключается при .

При работе РУ сигналы θ(t) и Z(t) пульсируют в пределах зоны возврата (рис. 4.10, а). Выходной сигнал Y_р в установившемся режиме представляет собой последовательность импульсов с амплитудой Y_рт, периодом Т и длительностью (рис. 4.10, б). Среднее значение выходного сигнала импульсного РУ определяется выражением

,

где – скважность импульсов.

При скачкообразном изменении рассогласования возникает переходный процесс, продолжительность которого равна длительности первого выходного импульса РУ (см. рис. 4.10, б).

Рис. 4.10. Диаграммы сигналов, характеризующие работу импульсного ПИ-регулятора

Динамические свойства РУ на базе ТРЭ с обратной связью определяются передаточной функцией обратной связи. Если, например, принять в качестве обратной связи инерционное звено первого порядка

,

где , – передаточный коэффициент и постоянная времени обратной связи, то динамические свойства РУ будут описываться передаточной функцией

,

реализующей ПД-преобразование.

Уравнение движения исполнительного механизма в скользящем (пульсирующем) режиме имеет вид

,

где – средняя скорость движения регулирующего органа (РО); – максимальная скорость движения РО; – полный ход РО; – начальное положение РО; – время полного хода РО при его движении с максимальной скоростью.

Полагая, что фильтр описывается передаточной функцией

,

где – постоянная времени фильтра.

Используя передаточные функции РУ и ИМ, получим передаточную функцию импульсного регулятора

,

где – передаточный коэффициент регулятора.

Из последнего выражения вытекает, что рассматриваемый регулятор реализует ПИ-закон регулирования с демпфированием входного сигнала. При этом П-составляющая определяется отношением постоянных времени обратной связи и ИМ, а И-составляющая – постоянной времени ИМ.

Изменение во времени выходного сигнала регулятора при скачкообразном изменении рассогласования представлено на рис. 4.10, в. Первый импульс РУ (переходный режим) обеспечивает нарастание μ с максимальной скоростью. Далее скорость изменения регулирующего воздействия снижается и определяется величиной γ, т.е. в конечном итоге значением рассогласования ε.