Технически оптимальная настройка регуляторов

Для определения оптимальных параметров настройки регуляторов (параметрической оптимизации) АСР необходимо иметь сведения о статических и динамических характеристиках объекта регулирования и действующих возмущений. Наиболее достоверными являются экспериментально определенные статические характеристики.

Оптимальная настройка ПИД-регулятора позволяет максимально быстро и почти без перерегулирования вывести объект на уставку. Признак правильной настройки – плавный, без рывков, рост регулируемого параметра и наличие тормозящих импульсов при подходе к уставке как снизу, так и сверху (рис. 14.39).

Если объект выходит на уставку с небольшим перерегулированием и быстрозатухающими колебаниями, можно немного уменьшить коэффициент усиления, оставив все остальные параметры без изменения.

Величина максимума амплитудно-частотной характе­ристики замкнутой системы регулирования, а также ее резонансная частота могут быть определены из временной характеристики системы относительно управляющего воздействия по условной величине ее степени затухания и частоте(рис. 14.40).

Рис. 14.39. Оптимальная работа ПИД-регулятора

Рис. 14.40. Переходная характеристика замкнутой системы регулирования

Указанное обстоятельство позволяет приближенно определить параметры регулируемого объекта ипо полученной экспериментально кривой переходного процесса при ступенчатом воздействии со стороны задатчика регулятора. Действительно, если известны сте­пень затухания переходного процесса и его частота, а также числовые значения параметров настройки ре­гулятора, при которых регистрировался этот процесс, то принципиально не представляет труда определить, каковы должны быть числовые значения параметров объектаидля то­го, чтобы амплитудно-фа­зовая характеристика разомкнутой системы с из­вестными параметрами настройки регулятора ка­салась окружности с ин­дексом, соответствующим этой степени затухания при частоте, соответству­ющей частоте переходного процесса.

Порядок определения оптимальной настройки ПИ-регулятора по графику временной характеристики за­мкнутой системы регулирования с помощью графиков заключается в следующем:

1. Система регулирования при произвольной настройке регулятора включается в работу. Убедившись, что она работает устойчиво, быстро изменяют задание регулятору на некоторую достаточно большую, но допустимую по условиям эксплуатации величину и регистрируют процесс изменения регулируемой величины во времени.

2. Из полученного графика изменения регулируемой величины, типовой вид которого приведен на рис. 14.40, определяются степень затухания и период колебаний переходного процессаТ.

3. Вычислив величину отношения периода колебаний переходного процесса к установленному в регуляторе во время проведения эксперимента значению времени изодрома, находят величины поправочных множителей на величину коэффициента пере­дачи регулятора и на величину его времени изодрома, т.е. определяют, во сколько раз следует изменить чи­словые значения параметров настройки регулятора, чтобы настройка оказалась близкой к оптималь­ной.

4. Установив найденные параметры настройки в ре­гуляторе, опыт повторяют и производят повторный рас­чет, аналогичный изложенному выше. Если окажется, что числовые значения поправочных коэффициентов близки к единице (находятся в пределах 0,95–1,05), можно считать, что настройка окончена. В противном случае необходимо произвести повторную перена­стройку.

В практике наладочных работ используют приближенные формулы для определения оптимальных параметров настройки регуляторов для объектов, описываемых нижеприведенными выражениями при различных критериях оптимальности.

1. Всесоюзным теплотехническим институтом имени Ф.Э. Дзер­жинского (ВТИ) рекомендуются для степени затухания за период  = 0,75 и интегральной квадратичной оценки, близкой к минимуму, следующие формулы расчета для параметров ПИ-регу­лятора с передаточной функцией:

W(P) =K_p(Т_изР+ 1)/Т_изР.

При 0 < _об/Т_а < 0,2

, Т_из = 3,3_об.

При 0,2 < _об/Т_а < 1,5

, Т_из= 0,8Т_а.

При = 0,9, 0 <_об/Т_а < 0,1

, Т_из = 5_об.

При 0,1 < _об/Т_а < 0,64

, Т_из= 0,5Т_а.

2. Имеются номограммыдля подобных объектов, чтобы в зависимости от параметров объекта и заданного затухания определитьK_р,Т_из(метод Ротача).

3. Существует метод компенсации большой постоянной времени объекта (Т_из = Т_об) при коэффициенте демпфирования  = 707 (модульный оптимум).

4. Аналитический расчет границы устойчивости и параметров регулятора при заданной степени колебательности по расширенным частотным характери­стикам(метод Стефани) также применяется при наличии ЭВМ и соответствую­щих методик расчета. Все методики дают близкие результаты расчета параметров регулятора и, соответственно, близкие переходные процессы.

5. На практике расчеты регуляторов заканчиваются наладочными работами, когда используются экспериментальные методы параметрической оптимизации.

Эти методы основаны на прямом контроле переходных или частотных характеристик в процессе подбора оптимальных параметров настройки или с па­раметрами, заведомо обеспечивающими устойчивое движение АСР. Затем, вводя возмущение, наблюдают реакцию системы на эти возмущения. Целена­правленно изменяя параметры настройки регулятора, добиваются нужного ха­рактера переходного процесса. Это многошаговая итерационная процедура. Данные методы разработаны настолько, что позволяют автоматизировать этот процесс при минимальном участии человека³.

Самая простая настройка, когда в замкнутой АСР с ПИ-регу­ля­тором (при ПИ-регуляторе Т_изустанавливают очень большим) увеличиваютK_pдо границы устойчивости, определяютK_p.кри Т_пер.кр–период установившихся ко­лебаний. Затем выставляют параметры:

Для П-регулятора K_p.опт = 0,55 K_p.кр;

Для ПИ-регулятора K_p.опт= 0,55K_p.кр,Т_из= 1,25Т_пер.кр.

6. Лучшие результаты дает пошаговая оптимизацияс оценкой переходной характеристики на каждом шаге.

В плоскости параметров настройки ПИ-регулятора существуют линии одинаковой степени затухания (рис. 14.41).

Одно и то же затухание (пусть ψ= 0,75) можно получить при различных параметрах регулятора. Нужно обеспечить при этом минимальную квадратичную ошибку, которая изменяется в плоскости как показано на рис. 14.42. Таким образом, надо искать оптимальную точку настройки.

Из кривых (рис. 14.43) для различных настроек можно видеть, что в точках 1 и 2 переходные процессы затянуты, в точке 4 имеется апериодическая составляющая, затягивающая процесс. Поиск оптимальной настройки состоит из следующих этапов (рис. 14.44, 14.45):

1. ЗавышаютТ_из, занижаютK_р(точка 1).

2. Увеличивают K_р, чтобы при колебательном процессе ψ = 0,8–0,9 (точка 2).

Рис. 14.44. Этапы практической настройки параметров ПИ-регулятора

3. УменьшаютТ_из, чтобы избавиться от апериодической составляющей (точки3,4).

4. УменьшаютK_р, чтобы приψ= 0,95…1 и при различных вариациях динамических свойств объекта регулирования переходные процессы были слабоколебательными (точка5).

Данный метод оптимизации не требует точного определения параметров объекта и параметров регулятора, так как варьирование параметров настройки производят относительно исходных значений, поэтому он широко применяется.

Рис. 14.45. Характер переходных процессов при различных настройках параметроврегуляторов

К примеру, в инструкции для наладчика САР с цифровым ПИ-регулятором даны следующие рекомендации.

• регулятор настроен на ПИ-регулирование;

Рис. 14.46. Переходный процесс выходного сигнала ПИ-регулятора

• структурная схема управления приведена на рис. 14.47;

Рис. 14.47. Структурная схема управления объектом с пневматическим исполнительным механизмом:w– задающее воздействие;x– регулируемая величина;xd– отклонение регулируемой величины;y– управляющее воздействие;1 – измерительный преобразователь; 2 – задатчик величины; 3 – регулировочный усилитель; 4 – электропневматический преобразователь сигнала; 5 – датчик; 6 – пневматический исполнительный блок

• 

• ручная установка параметров регуляторов без знания характеристики объекта. Параметры регуляторов для оптимальной регулировки оборудования в этом случае еще не известны. Для удержания регулирующего контура в стабильном состоянии имеются следующие заводские установки ПИ-регулятора:

– пропорциональный коэффициент K_р= 0,1;

– время изодрома T_n= 9984 с;

– время предварения T_v=oFF;

– настройка параметров ПИ-регулятора:

установить желаемую заданную величину и в ручном режиме установить рассогласование регулирования на ноль;

переключиться на автоматический режим;

медленно увеличивать K_р, пока регулирующий контур через малые изменения заданной величины не начнет клониться к колебаниям;

незначительно уменьшать K_р, пока колебания не будут устранены;

уменьшать T_nдо тех пор, пока регулирующий контур снова не начнет клониться к колебаниям;

медленно увеличивать T_n до тех пор, пока уклон к колебаниям не будет устранен.

Билет №16

1.	Автоматизация турбо механизмов
	- Измерение расхода и давление жидкости и газа.
	- Измерение расхода и давление жидкости и газа.
	- Q-H - характеристики турбо механизмов при различных способах регулирования производительности.
	- Структурная схема регулирования давления в магистрали в зависимости от расхода.
	- Экономический эффект от применения частотно-регулируемых электроприводов.

• насосы — машины, подающие жидкости;

• вентиляторы и компрессоры — машины, подающие воздух и технические газы.

Вентилятор— машина, перемещающая газовую среду при степени повышения давления Ер < 1,15 (степень повышения давления Ер — отношение давления газовой среды на выходе из машины к давлению ее на входе).

Компрессор— машина, сжимающая газ с Ер >1,15 и имеющая искусственное (обычно водяное) охлаждение полостей, в которых происходит сжатие газов.

Согласно ГОСТ 17398—72 нагнетатели (насосы) подразделяются на две основные группы: насосы динамические и объем­ные.

• В динамических нагнетателях передача энергии жидкости или газу происходит путем работы массовых сил потока в полости, постоянно соединенной с входом и выходом нагнетателя.

• В объемных нагнетателях повышение энергии рабочего тела (жидкости или газа) достигается силовым воздействием твердых тел, например поршней в поршневых машинах в рабочем пространстве цилиндра, периодически соединяемым при помощи клапанов с входом и выходом нагнетателя.