Что такое контур регулирования

Вот как определяет понятие регулирующего воздействия стандарт DIN 19226:

"Регулирование ‑ регулирующее воздействие ‑ это процесс, при котором определенная величина - величина, подлежащая регулированию (регулируемая величина), постоянно регистрируется, сравнивается с другой величиной - задающей величиной - и в зависимости от результата этого сравнения подвергается воздействию в смысле ее сближения с задающей величиной. Имеющая при  этом место цепочка действий совершается в пределах замкнутого контура - контура регулирования."Это определение станет более понятным, если обратиться к конкретному примеру.

Процессы, происходящие внутри контура регулирования  

В нашем примере температура воздуха в помещении - это регулируемая величина x. В настоящий момент в результате воздействия внешних факторов - величина возмущающего воздействия Z (солнце, температура наружного воздуха и т. п.) она составляет 24°C.

У жильца свое собственное представление о том, какой должна быть температура воздуха в комнате. Это представление в данном случае является задающей величиной w. В настоящий момент он присваивает ей значение 20°C, т. е. он хочет, чтобы сейчас в комнате было лишь 20°C. Для этого он воздействует на клапан батареи отопления так, чтобы регулируемая величина x приблизилась к значению задающей величины w (20°C), т. е. он перекрывает клапан, или он открывает его снова, как только значение регулируемой величины x слишком снизится.

Он регулирует температуру воздуха в помещении.

Рис. 1  Пример ручного регулирования

Если человека в этой его функции заменит регулирующее устройство - регулятор, - то мы будем иметь дело с автоматическим регулированием.

Регулирующему устройству в пределах определенных границ можно задавать любое значение  задающей величины w. В настоящий момент это значение составляет 20°C.

Датчик (1) замеряет x = 24°C и сообщает  это значение регулирующей величины x регулятору. Регулятор сравнивает значения w и x и устанавливает величину рассогласования x_w = x‑w.

Поэтому он сообщает исполнительному элементу (3), в нашем случае - клапану батареи отопления с собственным исполнительным приводом, новую регулирующую величину y, после чего привод устанавливает клапан в соответствующее новое положение.

Результатом этого будет снижение теплоотдачи батареей отопления и падение значения регулируемой величины x. В дальнейшем регулятор будет постоянно сравнивать значения x и w и выдавать исполнительному элементу текущие корректирующие команды. Тем самым он регулирует температуру воздуха в помещении.

Если желаемая температура воздуха в помещении является величиной постоянной, то это значение обозначается как заданная величина x_s.

Рис. 2 Пример автоматического регулирования

Влияние возмущающих воздействий

Почему вообще необходимо изменять положение уже однажды правильно отрегулированного клапана батареи отопления, чтобы поддерживать в комнате постоянную температуру?

Для приведенного выше примера можно назвать следующие причины, влияние которых не является постоянным:

1. Теплоотдача от стены, окна и дверей, которая зависит от

• температуры снаружи,

• попадающих в комнату солнечных лучей,

• влияния ветра.

2. Изменение внутри самого помещения количества тепла, выделяемого

• людьми,

• машинным оборудованием,

• освещением.

3.  Изменения в самой системе энергоснабжения:

• Изменения температуры воды в системе отопления.

• Колебания давления воды в системе отопления.

Регулирующее воздействие всегда требуется в том случае, когда объект регулирования испытывает влияние не постоянно проявляющихся возмущающих факторов.

Эти влияния, служащие причиной отклонения температуры в комнате от желаемого значения, обозначаются как величины возмущающего воздействия Z. Регулируемой величиной будет измеренная температура в помещении. Подлежащая регулированию величина, в нашем случае - температура в помещении, обозначается как регулируемая величина x.

Регулировать можно только то, что измерено!

Прежде чем можно будет приступить к регулированию регулируемой величины, ее необходимо измерить. На величины, которые невозможно измерить, нельзя воздействовать путем прямого регулирования. Даже самый лучший регулятор окажется бесполезным, если неправильно выбрано место измерения!

Блок-схема контура регулирования

Если отдельные звенья цепочки для регулирования температуры в комнате представить в виде блоков и связать их между собой, задав направление воздействия, то мы получим блок-схему контура регулирования.

Рис. 3  Регулирование температуры воздуха в помещении для системы вентиляции

Комнатный датчик регистрирует значение температуры воздуха в помещении x и сообщает его регулятору. Исходя из установленного значения для задающей величины w регулятор рассчитывает величину рассогласования x_w = x‑w. Этой величине соответствует определенный выходной сигнал y.

На основании этого сигнала исполнительный привод заставляет сработать клапан, являющийся в нашем случае исполнительным элементом, задав ему величину рабочего хода y. В результате  изменяется теплоотдача батареи отопления.

Рис. 4  Блок-схема контура регулирования

В итоге с учетом влияния величины возмущающего воздействия z в помещении устанавливается новое значение температуры x. Оно регистрируется датчиком и сообщается регулятору.

Контур активного воздействия замкнулся.

Для удобства рассмотрения процессов регулирования с точки зрения их активного воздействия целесообразно выделить внутри контура регулирования основные функциональные группы: регулирующие устройства и объекты регулирования.

Контур регулирования = Регулирующее устройство  + Объект регулирования

Таким образом, если говорить в общем, в ходе процесса регулирования выполняются следующие задачи:

1. Измерение

2. Сравнение

3. Усиление

4. Формирование временной характеристики

5. Регулировка

Рис. 5  Схема прохождения сигнала активного воздействия внутри контура регулирования

Из этого следует, что в состав регулирующего устройства всегда входят 3 элемента, а именно:

1. Датчик

2. Регулятор

3. Исполнительный привод.

Объект регулирования - это та часть системы, которая располагается между местом измерения и местом приложения регулирующего воздействия.

Его образуют исполнительный элемент, батарея отопления и пространство комнаты. Исполнительный привод относится к регулирующему устройству, поскольку он при определенном варианте исполнения регулятора наряду с другими элементами определяет рабочие характеристики.

Сам же клапан (исполнительный элемент) входит в состав объекта регулирования, т. к. он влияет на линейность.

Источник: Honeywell

Все статьи