А.Р. Герке, А.В. Лира, М.Ю. Перухин

АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ И ТИПОВЫЕ ЗАКОНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Методическое пособие

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Казанский государственный технологический университет»

АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ И ТИПОВЫЕ ЗАКОНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Методическое пособие

Лабораторная работа № 8

Автоматические регуляторы и типовые законы регулирования

Цель работы:

1) Ознакомиться с основными элементами автоматической системы регулирования.

2) Ознакомиться с типовыми законами регуляторов.

3) Изучить микропроцессорные измерительно-регулирующие устройства (на примере микропроцессорного измерителя-регулятора типа ТРМ 10).

Теоретическая часть

Автоматический регулятор – это устройство, которое, сравнивая текущее значение регулируемой величины с заданным, воздействует на технологический процесс таким образом, что текущее значение регулируемой величины автоматически поддерживается равным заданному.

Система автоматического регулирования (САР) – совокупность объекта регулирования и авторегулятора, взаимодействующих между собой.

На рис.1 представлена структурная схема замкнутой САР.

Рис. 1. Функциональная схема САР. Обозначение элементов схемы: Д- датчик; ЭС- элемент сравнения; З- задатчик; УЭ- управляющий элемент; У- усилитель; ИУ- исполнительное устройство; ОС- обратная связь; ИЭ- источник энергии; f- возмущение (внешний фактор).

Задачей автоматического регулирования является поддержание заданных параметров, определяющих условия протекания технологического процесса без участия человека. Факторы, влияющие на состояние процесса в объекте, называются воздействиями.

На рис.2 приведена упрощенная структурная схема САР.

Рис. 2. Структурная схема САР.

На объект регулирования действует возмущающее воздействие f, в результате чего возникает разность между текущим  и заданным _з значениями регулируемой величины - сигнал рассогласования:

 =( - _з).

По величине сигнала рассогласования регулятор вырабатывает регулирующее воздействие . При необходимости изменить параметр регулирования Х_вых изменяют величину задающего воздействия _з.

Одной из основных характеристик регулятора является закон регулирования.

Закон регулирования – функциональная связь между входным и выходным значениями регулятора. Под входной величиной регулятора понимается сигнал рассогласования , а под выходной величиной - его регулирующее воздействие , которое вызывает перемещение регулирующего органа. При этом целенаправленно изменяются материальные, энергетические потоки вводимые в объект регулирования или выводимые из него, вследствие чего регулируемая величина возвращается к заданному значению. Следовательно, закон регулирования выражается зависимостью:  = ƒ(). По виду этой зависимости в теории автоматического регулирования различают пять видов законов регулирования и соответственно пять видов регуляторов с непрерывным законом регулирования: П – пропорциональный, И – интегральный, ПИ – пропорционально-интегральный, ПД – пропорционально-дифференциальный, ПИД – пропорционально-интегрально-дифференциальный.

1. Пропорциональный закон регулирования (П-регулятор)

П-регулятор – регулятор, у которого выходная величина изменяется пропорционально входной.

Ниже приведена структурная схема САР с использованием П-регулятора и переходная характеристика (рис. 3-4).

Рис.3. Структурная схема

(1)

Рис. 4. Переходная характеристика

идеального П-регулятора

Достоинства: хорошо работает в неустановившихся режимах, простота конструкции и низкая стоимость

Недостатки: наличие остаточного отклонения регулируемого параметра, т.е. текущее значение регулируемой величины немного не достигает заданного значения.

2. Интегральный закон регулирования (И-регулятор)

И-регулятор – регулятор, у которого изменение регулирующего воздействия  пропорционально интегралу входной величины .

Ниже приведены структурная схема САР (рис. 5) с использованием И-регулятора и переходная характеристика для идеального (рис. 6) и реального (рис.7) интегрального регулятора.

Рис. 5. Структурная схема.

(2)

Рис. 6. Переходная характеристика

идеального И-регулятора.

Рис. 7. Переходная характеристика

реального И-регулятора.

Достоинства: высокая точность, отсутствие остаточного отклонения регулируемого параметра.

Недостатки: плохо работает в неустановившихся режимах, низкая скорость регулирования

3. Пропорционально-интегральный закон регулирования (ПИ-регулятор)

ПИ-регулятор- регулятор представляет совокупность П- и И-регуляторов.

Ниже приведены структурная схема САР (рис. 8) с использованием ПИ-регулятора и переходная характеристика для идеального (рис. 9) и реального (рис.10) пропорционально-интегрального регулятора.

Рис. 8. Структурная схема.

(3)

Рис. 9. Переходная характеристика

идеального ПИ-регулятора

Рис. 10. Переходная характеристика

реального ПИ-регулятора.

Достоинства: хорошо работает в неустановившимся режиме, имеет высокую точность без остаточного отклонения, качество выше чем у П и И регуляторов.

Недостатки: процесс регулирования осуществляется дольше, чем у П - регулятора.

4. Пропорционально-дифференциальный закон регулирования (ПД-регулятор)

ПД – регулятор – регулятор, у которого изменение регулирующего воздействия  пропорционально отклонению регулируемой величины  и скорости этого отклонения.

Регулирующий орган перемещается с некоторым опережением (предварением) пропорциональным скорости изменения регулируемой величины, поэтому действие предварения представляет временное увеличение коэффициента усиления регулятора.

Ниже приведены структурная схема САР (рис. 11) с использованием ПИ-регулятора и переходная характеристика для идеального (рис. 12) и реального (рис.13) пропорционально-дифференциального регулятора.

Рис. 11. Структурная схема.

(4)

Рис. 12. Переходная характеристика

идеального ПД-регулятора

Рис. 13. Переходная характеристика

реального ПД-регулятора.

Достоинства: сокращенное время регулирования.

Недостатки: вероятность появления ошибки регулирования, если временные свойства объекта не постоянны.

5. Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор)

ПИД – регулятор – регулятор, у которого регулирующее воздействие пропорционально отклонению регулируемого параметра, интегралу и скорости этого отклонения.

Ниже приведены структурная схема САР (рис. 14) с использованием ПИД-регулятора и переходная характеристика для идеального (рис. 15) и реального (рис.16) пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора.

Рис. 14. Структурная схема.

(5)

Рис. 15. Переходная характеристика

идеального ПИД-регулятора

Рис. 16. Переходная характеристика

реального ПИД-регулятора.

Достоинства: сочетает достоинства П-, И-, ПД-, ПИ- регуляторов.

Недостатки: высокая стоимость.