4.3. Расчет динамики сар

Ниже на рисунке представлена структурная схема одноконтурной САР.

Выше, под структурной схемой, приведены передаточные функции замкнутой системы регулирования по разным каналам передачи воздействий, а также характерные графики переходных процессов в замкнутой САР при нанесении скачкообразного возмущения.

Здесь:

S — символ преобразования Лапласа (оператор дифференцирования);

y — регулируемая величина;

y^* — уставка (заданное значение регулируемой величины);

e = y^* - y — рассогласование или разбаланс (вход регулятора);

u_p — выход регулятора;

u — управляющее воздействие (вход объекта);

l_в — внутреннее возмущение или возмущение со стороны РО (самопроизвольные, т.е. при неизменном u_p, изменение входов объекта, обусловленные, например, изменением давления в подающей сети и, соответствующее, изменение расхода топлива, изменение Q_н^р топлива и т.д.);

l_н — внешнее возмущение или возмущение по нагрузке (самопроизвольные, т.е. при непрерывном входе объекта, изменения выхода объекта, обусловленные, например, применением производительности агрегата или влиянием на выходную величину других объектов);

W_p — передаточная функция регулятора или оператор регулятора;

W_об — передаточная функция объекта;

W_pc = W_об * W_p — передаточная функция разомкнутой системы;

г.о.с. — главная отрицательная обратная связь в одноконтурной САР, т.е. ОС по регулируемому параметру.

Выделяют два выхода замкнутой АСР: выход объекта Y и рассогласование e. Выделяют три основных возмущения в замкнутой САР: возмущение со стороны РО l_в; возмущение по нагрузке l_н; возмущение со стороны задания или со стороны задатчика или изменением задания y^*. После нанесения возмущения в замкнутой САР идет переходный процесс, т.е. регулятор парирует действия возмущения и устраняет различие регулируемой величины от задания. Основным и наиболее тяжелым возмущением для замкнутой САР, в соответствии с принципом накопления возмущений, в классе ограниченных по модулю возмущений является ступенчатое возмущение (скачок, толчок). Поэтому выше приведены графики переходных процессов именно для скачкообразных возмущений по l_в, l_н и y^* . Переходные функции по каналам “l_н — y”, “y^* — e” совпадают.

4.3.1. Промышленные пи – регуляторы.

Основным типом промышленного регулятора является ПИ – регулятор. Операторное уравнение, передаточная функция и переходная характеристика которого приведены ниже:

Ниже на рисунке приведена структурная схема ПИ - регулятора

По такой схеме реализованы только так называемые аналоговые регуляторы, используемые совместно с ИМ переменной скорости. Выход такого регулятора является унифицированным аналоговым сигналом (отсюда и название). Аналоговый выход регулятора в качестве задания поступает на ИМ переменной скорости, например в виде заданной скорости вращения выла дымососа. ИМ переменной скорости (например привод постоянного тока или блок регулирования частоты привода переменного тока) является повторителем или позиционером (следящей системой с единичным коэффициентом передачи). Он просто устанавливает новое значение управляющего воздействия т.е. повторяет выход регулятора в других еденицах.

Большинство АСР в промышленности имеют в своем составе ИМ постоянной скорости, т.к. в таких АСР используются клапаны и поворотные заслонки в качестве РО. ИМ постоянной скорости должен переместить РО в новое положение и в дальнейшем на него не воздействовать. Использование ИМ постоянной скорости в качестве исполнительного элемента САР предопределяет структуру промышленных регулирующих блоков. Такой регулирующий блок не реализует самостоятельно ПИ – закон, а в комплекте с ИМ постоянной скорости.

Структура промышленного регулятора:

Регулирующий блок представляет собой т.н. предельную САР. Обратная связь в регулирующем блоке называется местной отрицательной обратной связью МОС в отличии от главной отрицательной обратной связи (ГОС). В замкнутой САР по регулируемому параметру. Сигнал от МОС вычитается не из задания, а из рассогласования на входе регулятора. ИМ постоянной скорости может быть представлен как интегрирующее звено. Регулирующий блок и ИМ соединены последовательно:

Из последней формулы следует, что ПИ-закон реализуется регулирующим блоком в комплекте с ИМ постоянной скорости. Как следует из последней формулы, для реализации ПИ-закона комплектуется “регулирующий блок — ИМ”, регулирующий блок должен реализовать ПД-закон регулирования. Д-часть регулирующего блока интегрируется исполнительным механизмом и дает П-часть в законе регулирования. П-часть регулирующего блока интегрируется ИМ и дает И-составляющую в законе регулирования. Для реализации ПИД-закона регулирования, регулирующий блок должен реализовать ПДД² закон регулирования. Вторая производная (Д²) регулирующего блока интегрируется ИМ и дает Д-составляющую в законе регулирования. Приведенная выше структурная схема регулирующего блока как предельной САР наиболее часто используемая в промышленных регуляторах. Т.к. для ПИ-закона регулирующий блок должен реализовать ПД-закон, передаточная функция W_ос должен быть передаточной функцией апериодического звена 1-го порядка. Известны и другие структуры промышленных регуляторов.

Как следует из последней формулы передаточная функция W_ос должна быть передаточной функцией реального дифференцирующего звена для того, чтобы показанная на рисунке предельная САР реализовала ПИ-закон регулирования.

Последнюю структуру промышленного регулирующего блока не следует путать со схемой, в которой реализуется П-закон регулирования, независимо от закона регулирования в регулирующем блоке (см. рис. ниже):

Указанные последние две структуры не следует путать с т.н. позиционерами, которые позиционируют РО типа клапан или заслонка в заданное положение (см. рис. ниже):

В данной схеме выделен условный объект с единичным коэффициентом передачи. Позиционер является повторителем, он повторяет входной сигнал U_р^* (заданное положение РО) в других еденицах измерения (перемещение РО).

Бесконечно большой коэффициент в прямой цепи РБ реализуется за счет релейного элемента. Релейный элемент охвачен местной отрицательной ОС. При e¹0 3-х позиционный релейный элемент включается, МОС нарастает (заряжается конденсатор) e становится равным 0, релейный элемент отключается. После этого начинается уменьшение МОС за счет разряда конденсатора, при e¹0 опять заряжается конденсатор и цикл повторяется. За счет такого автоматического контура вокруг релейного элемента осуществляется вибрационная линеаризация реле. В этом случае 3-х позиционный релейный элемент является пропорциональным звеном с K_y=µ. В результате вибрационной линеаризации ИМ работает в т.н. пульсирующем режиме — имеют место кратковременные включения в одну сторону. При работе в пульсирующем режиме линейный ИМ постоянной скорости (он является релейным элементом) линеаризуется и ведет себя как линеаризующее звено. Учитывая выше сказанное, такой регулирующий блок правильно называть релейным регулирующим блоком. За счет вибрационной линеаризации релейный блок, ИМ и САР в целом ведут себя не как нелинейные релейные структуры, а как непрерывные линейные структура. Такие регулирующие блоки часто неправильно называют импульсными. Название “импульсный” — от того, что ИМ в пульсирующем режиме перемещается импульсами. Такая САР не имеет ни какого отношения к импульсному регулированию. При импульсном регулировании регулятор должен был бы выдавать управляющие воздействия через заданные импульсы. Линейная же САР с релейно-импульсным регулятором (еще одно название) ведет себя как непрерывная.