17 Аналоговые электронные регуляторы. Структурные схемы, методы формирования законов регулирования.

Регуляторы непрерывного действия в зависимости от реализуемого закона регулирования подразделяются на следующие типы:

интегральные (астатические) — И - регуляторы;

пропорциональные (статические) — П- регуляторы;

пропорционально-интегральные (изодромные) — ПИ-регуляторы;

пропорционально - дифференциальные — ПД- регуляторы;

пропорционально -интегрально-дифференциальные — ПИД- регуляторы.

Интегральные (астатические) регуляторы. Интегральными, или астатическими, называются такие регуляторы, у которых при отклонении регулируемого параметра от заданного значения регулирующий орган будет перемещаться до тех пор, пока регулируемый параметр не вернется к заданному значению. Такой регулятор и представляет собой интегрирующее звено, передаточная функция которого:

Структурная схема И -регулятора представляет собой последовательно включенные усилительное и интегрирующее звенья (рис. 6.1, а). В качестве интегрирующего звена используется обычно гидравлический сервопривод или электродвигатель постоянного тока, скорость перемещения которого всегда пропорциональна величине отклонения регулируемого параметра от заданного значения. Динамическая характеристика И -регулятора имеет вид, изображенный на рис. 6.1.б.  И -регулятор достаточно точно поддерживает заданное значение регулируемого параметра, процесс регулирования протекает сравнительно медленно; поэтому он используется в объектах с большим самовыравниванием, с незначительным запаздыванием и с малыми по величине возмущениями.

Пропорциональные (статические) регуляторы. 

У пропорционального регулятора скорость перемещения регулирующего органа пропорциональна скорости изменения регулируемого параметра.

Равновесие П -регулятора возможно при различных значениях регулируемого параметра, вследствие чего регулируемый параметр не поддерживается на заданном значении, а принимает различные установившиеся значения.

Структурная схема П -регулятора представляет собой усилительное звено и может быть представлена в виде двух звеньев, соединенных последовательно (рис. 6.2, а). Первое звено с коэффициентом усиления 1г является усилительным устройством, второе — интегрирующим звеном с передаточной функцией   Для получения П -закона регулирования звенья регулятора охватываются жесткой отрицательной обратной связью с большим коэффициентом передачи R0. о; тогда - Динамическая, характеристика П -регулятора имеет вид, изображенный на рис. 6.2, б. При скачкообразном изменении входной величины х выходная величина изменяется также скачкообразно.

Пример П -регулятора дан на рис. 3.1. П -регуляторы используются для управления объектами при низком самовыравнивании (или без него), при наличии запаздывания в объекте, а также при значительных по величине возмущениях. Преимуществом П -регулятора является его быстродействие, т. е. малое время переходного процесса, и высокая устойчивость процесса регулирования. Основным недостатком П -регулятора является наличие остаточного отклонения регулируемого параметра, что снижает точность регулирования.

Пропорционально-интегральные (изодромные) регуляторы. Пропорционально-интегральные, или изодромные, регуляторы характеризуются тем свойством, что при отклонении регулирующей величины от заданного значения регулятор вначале перемешает регулирующий орган пропорционально измеренному отклонению (как статический регулятор), а затем при подходе регулируемой величины к заданному значению медленно доводит ее до этого значения (как астатический регулятор). Такое регулирование получается достаточно точным и быстродействующим.

Регулятор, действующий на таком принципе, имеет название ПИ-регулятор; он представляет собой как бы сочетание двух регуляторов — пропорционального и интегрального. ПИ-регуляторы поддерживают регулируемую величину без статической ошибки и обеспечивают более высокое качество регулирования, чем астатические регуляторы. Действие обратной связи в ПИ-регуляторе не остается постоянным, как это было при статическом регулировании, а с течением времени исчезает, что дает возможность регулятору привести регулируемую величину к заданному значению. Такая обратная связь называется изодромной. Изодромное регулирование характеризуется наличием упругих и инерционных обратных связей. Характер регулирования зависит в этом случае не только от характеристики регулятора, но и от свойств обратной связи. Изодромная связь может быть применена как в астатическом, так и в пропорциональном регуляторе.

Такой режим регулирования называется пульсирующим. Характер пульсации меняется в зависимости от значения регулируемой величины и параметров изодромной связи. При выбранном значении времени изодрома Т_и соотношение между длительностью работы и остановки, а следовательно, и средняя скорость исполнительного механизма зависят от величины и скорости отклонения регулируемой величины..

Пропорционально -интегрально -дифференциальные регуляторы.

ПИД -регуляторы осуществляют закон регулирования, в котором скорость перемещения регулирующего органа пропорциональна отклонению, скорости отклонения и ускорению отклонения регулируемого параметра:

где R — коэффициент передачи регулятора; T_И — время изодрома; T_n — время предварения. Знак “плюс” или “минус” указывает на то, что предварение может быть прямым или обратным. Таким образом, ПИД -регулятор имеет три параметра настройки: R, T_И , T_n

На рис. 6.5, б показана динамическая характеристика обратной связи с предварением при скачкообразном изменении сигнала на входе устройства. Из графика видно, что действие такой обратной связи в первый момент времени замедленно, поэтому она получила название запаздывающей обратной связи. Регулятор с предварением также может обеспечить пульсирующий режим.

Структурная схема ПИД -регулятора (рис. 6.6, а) получена путем введения в структурную схему ПИ-регулятора звеньев, формирующих в законе регулирования составляющую, пропорциональную производной изменения регулируемого параметра во времени. 

Временная характеристика изображена на рис. 6.6, б. В интервале времени от t₀ до t₁ преобладают пропорциональная и дифференциальная составляющие, с момента времени t₁ преобладает пропорциональная и интегральная составляющие, при этом характеристика имеет вид прямой, наклон которой определяется настройкой времени изодрома Т_к.

Параметры настройки Ъ, Т_ж и Т„ выбираются, исходя из параметров 
объекта. ПИД -регуляторы сложнее в настройке, чем другие регуляторы, однако могут обеспечивать более высокое динамическое качество систем регулирования. Подобные регуляторы применяют при относительно инерционных (с большими постоянными времени) объектах регулирования в целях повышения скорости и точности регулирования.

 

На рис. 6.7 для сравнения приведены характеристики П-, И-, ПИ -и ПИД -регуляторов. На входе регуляторов приложено скачкообразное изменение возмущающего воздействия, объект для всех регуляторов один и тот же. Показано, как изменяется регулируемая величина во всех случаях, а также при отсутствии регулятора. При П -регуляторе в установившемся режиме остается некоторое отклонение регулируемой величины от заданного значения, при И -регуляторе -это отклонение сводится к нулю; ПИ и ПИД -регуляторы обеспечивают лучшее динамическое качество.