В стандарте DIN 19226 дается следующее определение понятия "регулирующее устройство" и "регулятор":

"К регулирующему устройству относятся те приборы, которые необходимы непосредственно для воздействия на объект регулирования в соответствии с поставленной задачей. В состав регулирующего устройства входят как минимум одно устройство для регистрации регулируемой величины x и  для сравнения с задающей величиной w, а также одно устройство для формирования регулирующей величины y. В рамках регулирующего устройства один прибор можно обозначить как регулятор, если он объединяет в себе выполнение нескольких функций, присущих регулирующему устройству. Однако для регулятора обязательно наличие сравнивающего устройства, а также как минимум еще одного важного функционального элемента, например усилителя или схемы задержки".

Различные объекты регулирования в силу различий в конструкции обладают и разными временными характеристиками. Поскольку на эту временную характеристику никак нельзя повлиять, необходимо по возможности оптимально адаптировать регулятор к особенностям конкретного объекта регулирования.

Для этого в нашем распоряжении имеются различные типы регуляторов, которые можно грубо подразделить на следующие группы:

a) Регуляторы непрерывного действия:

 

• Регуляторы типа П;

• Регуляторы типа И;

• Регуляторы типа ПИ;

• Регуляторы типа ПД;

• Регуляторы типа ПИД.

 

b) Регуляторы прерывного действия:

 

• Двухпозиционные регуляторы;

• Многозонные регуляторы.

 

c) Регуляторы квазинепрерывного действия:

 

• Двухпозиционные с обратной связью (ПД‑характеристика);

• Регуляторы с двойным циклом (И‑ характеристика);

• Регуляторы с двойным циклом с обратной связью (ПИ‑ характеристика).

Регуляторы непрерывного действия

Регулятор непрерывного действия может непрерывно, т. е. плавно и практически с любой скоростью, изменять регулирующую величину.

Регуляторы типа П

Принцип действия и характеристика регулятора типа П (пропорциональный регулятор) очень хорошо видны на примере простого механического регулятора уровня.

Регулируемой величиной x является уровень h

Регулирующей величиной y является рабочий ход клапана H

Величиной возмущающего воздействия Z является количество спускаемой воды.

Рис. 1  Пропорциональный механический регулятор

При увеличивающемся заборе воды поплавок опускается и открывает клапан, при меньшем заборе воды уровень воды повышается и клапан соответственно перекрывается.

Следовательно заданное значение w можно обеспечить только для какой-то определенной рабочей точки.

Для того чтобы такой регулятор мог настроиться своим регулирующим сигналом y на какую-то другую рабочую точку, должна измениться регулируемая величина. При этом устанавливается неизменная величина рассогласования.

X_W = X - W

 

Она зависит от передаточного числа рычага a/b или, если говорить в общем, от коэффициента передачи K_p регулятора, либо выражается через область пропорциональности x_p в единицах регулируемой величины.

Обратите внимание:

Область П (область пропорциональности) x_p указывает,какой должна быть величина рассогласования x_w на входе, для того чтобы регулятор мог изменить свой регулирующий сигнал по всей области Y_h  (0....100%).

Путем изменения соотношения плеч рычага a/b можно сузить область П. С одной стороны, благодаря  этому соответственно уменьшится неизменная величина рассогласования, однако, к сожалению, одновременно повысится чувствительность регулятора, т. е. он будет теперь реагировать на каждый удар волны.

Рис. 2  Кривые, характеризующие две разные области пропорциональности в рабочей точке Y₀ = 50%

Таким образом, выбор области П всегда представляет собой компромисс между устойчивостью и точностью регулирования.

Оптимизация регулятора типа П

Рис. 3   Влияние П-полос различной ширины (коэффициент усиления регулятора) на устойчивость контура регулирования

Регуляторы типа И

Интегрирующий регулятор, коротко именуемый регулятором типа И, изменяет регулирующую величину тем скорее, чем больше величина рассогласования. Но это также значит, что регулирующая величина будет изменяться до тех пор, пока рассогласование не станет равным нулю ‑ таким образом, регулятор типа И не работает без постоянной величины рассогласования! Однако в сравнении с пропорциональными регуляторами типа И, особенно когда речь идет об объектах регулирования с большими постоянными времени, как это имеет место в технике инженерного обеспечения зданий, в большинстве случаев оказываются слишком медленными. Поэтому в технике инженерного обеспечения зданий они практически не применяются.

Регуляторы типа ПИ

Регулятор типа П имеет очень хорошую временную характеристику, но отличается при этом относительной неточностью, что обусловлено постоянной величиной рассогласования.

Регулятор типа И имеет очень неблагоприятную временную характеристику, но зато не дает постоянной величины рассогласования.

Если объединить эти два типа в один - пропорционально-интегральный, то мы получим очень быстрый и точный регулятор.Такие регуляторы типа ПИ сегодня широко применяются в технике инженерного обеспечения зданий.

Регулятор этого типа имеет два регулируемых параметра для адаптации с объектом регулирования:

• область П X_p и так называемое

• подстроечное время Tn.

Рис. 4  Оптимизация обоих параметров контура регулирования в регуляторе типа PI

Регуляторы типа ПД

Скорость изменения величины рассогласования также может быть включена как составляющая в характеристику регулятора: чем выше скорость изменения, тем лучше, предположительно, должна быть скорректирована и регулирующая величина.

Следовательно, если дополнить регулятор типа П дифференцирующим звеном, то можно еще больше увеличить его быстродействие. В результате мы получим пропорционально-дифференциальный регулятор, или регулятор типа ПД.

Для адаптации с объектом регулирования регулятор типа ПД имеет два регулируемых параметра:

• область П X_p

• постоянная времени дифференцирующего звена T_v

Регуляторы типа ПИД

Теперь напрашивается сам собой вариант, который бы объединил в себе все положительные качества описанных выше регуляторов, а именно - пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор, или регулятор типа ПИД.

Благодаря стабилизирующему действию дифференциальной составляющей регулятор типа ПИД отличается очень высоким быстродействием, а благодаря наличию интегральной составляющей не требует постоянной величины рассогласования. Тем самым он наилучшим образом подходит для сложных объектов регулирования. Но при  этом для адаптации с объектом регулирования необходимы три регулируемых параметра:

• область П X_p и так называемое

• подстроечное время T_n

• постоянная времени дифференцирующего звена T_v

Поэтому для оптимальной настройки регулятора требуется некоторый профессииональный навык.

Регуляторы прерывного действия

Регуляторы прерывного действия способны изменять регулирующую величину только скачкообразно, ступенями (две и более).

Двухпозиционные регуляторы

Для двухпозиционных регуляторов возможны лишь два состояния, например ВКЛ/ВЫКЛ, ОТКРЫТ/ЗАКРЫТ, 0%/100%. В известной степени речь идет об очень "грубом" регуляторе типа П, который может  "перекидываться" только в одну из двух точек, соответствующих конечным значениям регулирующей величины; постоянная величина рассогласования регулятора типа П уступила место постоянной величине рассогласования двухпозиционного регулятора X_wb.

Рис. 5  Двухпозиционный регулятор - Гигростат

Двухпозиционные регуляторы с обратной связью

Рис. 6  Комнатный термостат с обратной связью

Если обеспечить возврат регулирующей величины через звено задержки на вход двухпозиционного регулятора, то можно существенно уменьшить разброс значений регулируемой величины.Тогда среднее регулирующее воздействие будет соответствовать ПД‑характеристике; коэффицинт пропорциональности обратной связи определяет область П, а постоянная времени обратной связи - постоянную времени дифференцирующего звена.

Регуляторы квазинепрерывного действия

В технике инженерного обеспечения зданий нередко в качестве исполнительных приводов используются двигатели. Ими проще всего управлять с помощью трехпозиционного регулятора, в котором регулирующая величина может принимать три состояния:

ОТКР. ‑  ЗАКР. ‑ СОСТОЯНИЕ ПОКОЯ

В качестве регулируемых параметров выступают обе зоны неоднозначности (гистерезиса) для состояний ОТКР. und ЗАКР. - X_d1 и X_d2, а также расстояние между ними  - т. н. нейтральная зона X_n.

Комбинация трехпозиционного регулятора с синхронным исполнимтельным приводом дает квазинепрерывную характеристику.

Двигатель с временем работы T_y выступает в качестве интегральной составляющей. Хотя исполнительный привод управляется ступенчато, в итоге получается регулирующая величина (рабочий ход, угол поворота) с квазинепрерывной характеристикой. 

Источник: Honeywell

Все статьи