что такое интегральные регуляторы автоматических систем

Интегральный регулятор: подробно простым языком

Интегральный регулятор — это прибор для управления технологическим процессом, который используется в методе интегрального регулирования.

Интегральный регулятор

Принцип действия интегрального регулятора

Интегральные регуляторы имеют широкое разнообразие конструкций, однако, большинство из них работают одинаково. Увеличенный выход получается путем изменения нормального режима работы, при котором регулятор уравновешивает сам себя, так как он реагирует на изменения входа. Затем выход может быть преобразован таким образом, чтобы возвратить переменную процесса к уставке.

С-образная трубка Бурдона является входным механизмом. Кончик трубки присоединен к одному концу балансира. Сопло расположено над балансиром, и балансир входит в состав механизма определения ошибок. Сопло закреплено на подвижном блоке, который может быть подвинут ближе или дальше от балансира. Поперечная пружина, которая является гибкой пружиной для этого регулятора применяется для разделения двух сильфонов, соединяет другой конец балансира к двум сильфонам: сильфон обратной связи над балансиром и интегральный сильфон под ним. Сильфон обратной связи является выходным/балансировочным механизмом.

Увеличение входа заставляет трубку Бурдона раскрутиться. Так как трубка раскручивается, она поднимает один конец балансира и перемещает его ближе к соплу. Таким образом регулятор сравнивает переменную процесса с уставкой. Обратное давление увеличивается до величины, которая пропорциональна увеличению входа-вычислительной функции.

Увеличение обратного давления преобразовывается реле в пропорциональное увеличение корректирующего выхода регулятора. Выход подается к сильфону обратной связи, и через переменное ограничение к интегральному сильфону — оба сильфона расширяются. Однако, интегральный сильфон расширяется позднее, чем сильфон обратной связи из-за переменного ограничения. Силы сильфонов уравновешены, удерживая балансир в положении, которое влияет на выход больше, чем это могло бы быть при только пропорциональном регуляторе. Это увеличение выхода представляет собой интегральное регулирование. Выход регулятора будет продолжать увеличиваться в течение времени, при котором переменная процесса не равна уставке.

Источник

Интегральное регулирование

Интегральное регулирование — это составная часть процесса регулирования, которая формирует регулирующее воздействие пропорционально интегралу отклонения регулируемой величины так долго, пока существует отклонение. Проще сказать, выходной сигнал регулятора будет воздействовать на регулирующий орган до тех пор, пока смещение не будет устранено и регулируемая переменная не вернется к заданному значению.

Простая система автоматического регулирования

Входным сигналом интегрального регулятора является пневматический сигнал, который представляет уровень воды в резервуаре. Выход регулятора — пневматический сигнал, который перемещает регулирующий клапан (4), что приводит к изменению притока воды в резервуар.

В этом примере принимают, что постоянное возмущающее воздействие увеличивает приток воды в резервуар, что приводит к повышению уровня воды в резервуаре.

Интегральный закон регулирования

Интегральный закон регулирования — это процесс регулирования, при котором регулирующее воздействие пропорционально интегралу по времени отклонения регулируемой величины, т.е. величине отклонения и времени этого отклонения, и, следовательно, производится так долго пока существует отклонение (изодромный — равнобегущий).

Принцип работы интегрального регулирования

Интегральное регулирование не существует непосредственно само по себе: оно всегда соединяется с пропорциональным регулированием. При пропорциональном регулировании выходной сигнал регулятора изменяется пропорционально изменению входного сигнала. Другими словами, если входной сигнал увеличится на некоторую величину, выходной сигнал регулятора также возрастет на пропорциональное этому изменению величину. Когда изменения на вводе прекращаются, вывод регулятора также перестает изменяться, что часто приводит к появлению неустранимого пропорциональным регулятором смещения регулируемой переменной от уставки. Когда в процесс регулирования к пропорциональной составляющей добавляется интегральная, регулятор продолжает корректировать вывод до полного возврата регулируемой переменной процесса к уставке. Интегральное регулирование, фактически, пропорциональное плюс интегральное регулирование добавляет корректирующее действие к пропорциональному действию.

Не смотря на то, что интегральное регулирование всегда используется в комбинации с пропорциональным регулированием, полезно исследовать характеристики интегрального регулирования, как будто бы процесс интегрального регулирования мог бы осуществляться непосредственно.

Вид регулирующих воздействий пропорционального, интегрального и пропорционально-интегрального регуляторов при ступенчатом изменении входного сигнала

Обратите внимание, что интегральный выходной сигнал — это постепенно возрастающий сигнал. В этом как раз и проявляется основное свойство интегрального регулирования, которое преодолевает смещение и возвращает регулируемую переменную процесса к уставке.

Источник

Интегральный регулятор (И-регулятор).

Автоматический регу­лятор, у которого одному и тому же значению регулируемой вели­чины могут соответствовать различные положения регулирующего органа, называется интегральным, (астатическим)

Скорость перемещения регулирующего органа этих регулято­ров тем больше, чем больше отклонение регулируемой величины от заданного значения.

Закон регулирования предусматривает воздействие регулятора со скоростью, пропорциональной отклонению регулируемой вели­чины, и описывается уравнением

где S₀ — специально рассчитываемый настроечный параметр И-регулятора, S₀= 1/T_и (Т_И — время интегрирования).

Уравнение регулятора в интегральной форме:

Из уравнения И-регулятора следует, что выходным сигналом его является не величина перемещения затвора регулирующего орга­на, а скорость перемещения. Заменив в рассмотренном ранее П-регуляторе пружину грузом, получим И-регулятор прямого действия (рис. 3, а). Усилие, создаваемое грузом для уравновешивания мембраны снизу, будет постоянным по величине независимо от положения затвора, поэтому ее равновесие может быть достигнуто только при заданном давлении газа.

Задание регулятору устанавливается перемещением груза вдоль рычага. Отсюда следует, что для И-регулятора характерно отсут­ствие отклонения регулируемого параметра от задания в состоянии равновесия САР, т. е. он имеет лучшие статические свойства, чем П-регулятор. Однако по динамическим свойствам он уступает ему: чем больше отклонение регулируемого параметра, тем с большей скоростью движется затвор регулирующего органа. Это приводит к перерегулированию, т. е. к прохождению затвором точки равнове­сия, в результате чего время регулирования может быть большим.

Поскольку в состоянии равновесия затвор может оказаться в лю­бом положении (в зависимости от нагрузки объекта), И-регулятор не имеет статической характеристики. (По этой причине его назы­вают также астатическим.) Временная характеристика И-регулятора — прямая, угол наклона которой к оси времени пропорционален скорости перемещения затвора регулирующего органа (рис. 3, б). Динамические свойства регулятора характеризуются временем интегрирования T_и — условной величиной, численно равной вре­мени перемещения затвора регулирующего органа из одного край­него положения в другое при изменении регулируемого параметра на определенную величину. Значение Т_и устанавливают при помо­щи специального настроечного узла регулятора, шкала которого проградуирована в единицах времени. В рассмотренном примере время Т_и зависит от степени открытия дросселя перед мембранной коробкой: при полностью открытом дросселе на рис. 3, а время Т_и минимально, при полностью закрытом дросселе время T_и бесконеч­но. Регулятор отключен.

В И-регуляторах отсутствует обратная связь, они просты по устройству. Важнейшей их особенностью является то, что неза­висимо от величины нагрузки регулируемого объекта они приводят регулируемую величину к заданному значению. Недостатком интегральных регуляторов является относительно невысокая скорость регулирования. Она тем меньше, чем больше время T_и.

И-регуляторы не могут применяться на объектах, не обладаю­щих самовыравниванием. Система, состоящая из объекта без само­выравнивания и И-регулятора, неустойчива.

а — схема; б — временная характеристика регулятора

Источник

Регулирующие устройства и автоматические регуляторы

ОГЛАВЛЕНИЕ

Раздел 3. Регулирующие устройства, и автоматические регуляторы, исполнительные механизмы, интерфейсные устройства

3.1. Регулирующие устройства и автоматические регуляторы.

3.2. Исполнительные механизмы.

3.3. Интерфейсные устройства.

Регулирующие устройства, и автоматические регуляторы, исполнительные механизмы, интерфейсные устройства

Регулирующие устройства и автоматические регуляторы.

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

Регулирующее устройство – это 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.

Регулятор – это прибор, который в рамках регулирующего устройства 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.

В зависимости от возможности изменять свой режим работы регуляторы подразделяются на два класса:

— детерминированные регуляторы не изменяют своих параметров в процессе регулирования;

По наличию дополнительных источников энергии различают регуляторы:

— Регуляторы прямого действия управляют регулирующим органом за счет энергии, получаемой от регулируемой среды, и не требуют вспомогательной энергии.

— Регуляторы непрямого действия. В них имеются усилители мощности, управляющие поступлением энергии от постороннего источника. При этом в зависимости от вида используемой энергии различают электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные регуляторы.

В зависимости от характера воздействия на объект имеются:

В зависимости от вида квантования входного сигнала подразделяются на:

Рис.3.1. Классификация автоматических регуляторов дискретного действия

В соответствии с реализуемым законом регулирования регуляторы делятся на:

— релейные двух- и трехпозиционные и релейные с механизмами постоянной скорости.

По способности изменять свою структуру различают регуляторы:

— с переменной структурой – у них структура изменяется при изменении свойств объекта.

По характеру математической связи между выходной и входной координатами регуляторы подразделяются на:

В зависимости от конструктивного исполнения имеются регуляторы:

— агрегатного типа – в них используется агрегатный принцип построения используется при стандартных сигналах на выходе датчиков. Такой принцип рекомендован ГСП и позволяет подключать любой стандартизованный датчик непосредственно к унифицированному входу регулятора.

В соответствии с числом регулируемых величин регуляторы подразделяются на:

Регуляторы классифицируются также по классу систем и фирмам-изготовителям.

Линейные регуляторы – это регуляторы, которые позволяют реализовать теоретические (стандартные) законы регулирования, называются идеальными. В этих регуляторах операции интегрирования, дифференцирования, суммирования и умножения на постоянный коэффициент выполняются абсолютно точно. Рассмотрим динамические характеристики регуляторов с различными стандартными законами регулирования.

Пропорциональные (П) регуляторы.

Закон регулирования П-регулятора выражается уравнением:

где k_p — коэффициент пропорциональности, являющийся параметром настройки П-регулятора.

У пропорциональных регуляторов отклонение регулируемой величины X от ее заданного значения Х₀ вызывает перемещение регулирующего органа на величину, пропорциональную этому отклонению x = Х₀ — X.

Передаточная функция П-регулятора имеет вид:

Переходная характеристика П-регулятора показана на рис.3.2, а.

Величину, обратную коэффициенту пропорциональности регулятора, т.е. δ_р = 1/k_р, называют статизмом, или коэффициентом неравномерности регулятора, а величину (1/k_p) 100%-диапазоном дросселирования.

Рис.3.2. Переходные характеристики линейных идеальных регуляторов

Особенностью систем регулирования с П-регулятором является изменение регулируемой величины при различных нагрузках регулируемого объекта. Объясняется это тем, что перемещение регулирующего органа в новое положение, соответствующее новой нагрузке, может быть произведено только за счет отклонения регулируемой величины. Разность между максимальным и минимальным установившимися значениями регулируемой величины х_шах называют остаточной неравномерностью П-регулятора, ее величина определяется выражением х_шах = 1/k_p.

Интегральные (И) регуляторы.

Процесс регулирования И-регулятором происходит по закону, который описывается уравнением:

Интегральные регуляторы производят перемещение регулирующего органа пропорционально интегралу отклонения регулируемой величины до тех пор, пока не восстановится ее заданное значение.

Передаточная функция И-регулятора имеет вид:

Переходная характеристика И-регулятора показана на рис.3.2, б. Интегральный регулятор не обладает остаточной неравномерностью, что является его положительной особенностью.

Пропорционально-интегральные (ПИ) регуляторы.

Закон регулирования ПИ-регулятора выражается уравнением:

где Т_и — время интегрирования регулятора, или время изодрома. Коэффициент пропорциональности k_p и постоянная времени Т_и являются параметрами настройки ПИ-регулятора.

В динамическом отношении ПИ-регулятор представляет собой систему из двух параллельно включенных регуляторов: пропорционального и интегрального. При увеличении времени изодрома до бесконечности ПИ-регулятор превращается в П-регулятор. Если k_p и Т_и стремятся к нулю, но их отношение остается постоянным, то получим И-регулятор. Пропорционально-интегральные, как и интегральные, регуляторы не обладают остаточной неравномерностью. Переходная характеристика ПИ-регулятора показана на рис.3.2, в.

Пропорционально-дифференциальные(ПД) регулятор.

Закон регулирования ПД-регулятора выражается следующим уравнением:

Передаточная функция ПД-регулятора:

Пропорционально-дифференциальный, как и пропорциональный, регулятор обладает остаточной неравномераостью, величина которой определяется выражением х_шах = 1/k_р.

Однако дополнительное воздействие по скорости отклонения регулируемой величины от заданного значения положительно влияет на процесс регулирования. Это является преимуществом ПД-регуляторов по сравнению с П-регуляторами. Переходная характеристика ПД-регулятора показана на рис.3.2, г.

Пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы.

Закон регулирования ПИД-регулятор а определяется уравнением:

Параметрами настройки ПИД-регулятор а служат коэффициент пропорциональности k_р и постоянные времени Т_я и Т_я.

Передаточная функция имеет вид:

В динамическом отношении эти регуляторы представляют собой систему из трех параллельно включенных звеньев: безынерционного, интегрирующего и идеального дифференцирующего. При Т_Д = 0 ПИД-регулятор превращается в ПИ-регулятор. ПИД-регуляторы не обладают остаточной неравномерностью. Переходная характеристика ПИД-регулятора показана на рис.3.2, д

Промышленные регуляторы состоят из реальных элементов, поэтому их динамические характеристики отличаются от динамических характеристик, определяемых уравнениями идеальных регуляторов.

Для оценки расхождения характеристик идеального и реального регуляторов передаточную функцию W_p(p) реального регулятора представляют в виде произведения передаточной функции W_ид(р) идеального регулятора и передаточной функции W_б(p) некоторого балластного звена:

Балластное звено не имеет заранее известной передаточной функции. Разные регуляторы имеют балластные звенья с различными передаточными функциями. С помощью понятия «балластное звено» удобно оценить степень отличия реального и соответствующего идеального регуляторов. В ряде случаев, анализируя балластное звено, можно найти способы приблизить реальный регулятор к идеальному, усовершенствуя его схему или конструкцию. Исследование динамики балластного звена позволяет сделать вывод об особенностях структурной схемы и настройки того или иного реального регулятора.

Если регулятор идеальный, то передаточная функция балластного звена W₆(ρ) ≡ 1, его модуль W₆(ω) ≡ 1, а фаза φ₆(ω) ≡ 0. Чем больше передаточная функция балластного звена отличается от единицы, тем значительнее отличается качество регулирования в системах с идеальными и реальными регуляторами. Степень отличия реального регулятора от идеального для одного и того же типа прибора может быть различной, так как она зависит не только от структурной схемы и конструкции, но и от динамических настроек регулятора. Для регуляторов с нелинейными элементами частотные характеристики балластного звена зависят также от амплитуды входного сигнала.

Область в пространстве амплитуд, частот входного сигнала и параметров настройки регулятора, в пределах которой частотные характеристики идеального и реального регуляторов отличаются на величину, не превышающую некоторое наперед установленное значение, называют областью нормальной работы (ОНР) регулятора.

Частотные характеристики идеального и реального регуляторов согласно установленным нормам могут отличаться по модулю на ±10% и по фазе на ±15%. В пределах этих отклонений различием в динамических характеристиках можно пренебречь, а в расчетах использовать уравнения идеальных регуляторов.

Сопоставление по величине ОНР является удобным и наглядным методом оценки регуляторов, отрабатывающих одинаковый закон регулирования. Обычно оно проводится при одних и тех же заранее выбранных значениях, амплитуды и частоты входного сигнала в координатах параметров настройки регуляторов.

При оценке регулятора обычно исходят из того, что егоприменение целесообразно, если оптимальные значения параметров настройки, лежащие внутри ОНР, соответствуют динамическим характеристикам объектов управления. Из двух однотипных регуляторов, имеющий большую ОНР лучше, так как он в большей мере удовлетворяет требованиям универсальности, поскольку может быть использован на более широком классе объектов.

Если в результате расчета параметров настроек регулятора будут получены данные, не попадающие в ОНР, то нужно выбрать либо другой закон регулирования, либо применить регулятор другого типа, имеющий более широкую область допустимых настроек.

Автоматические регуляторы, формирующие один и тот же закон регулирования, могут быть построены по различным структурным схемам. Каждая из таких структурных схем обладает рядом достоинств и недостатков, которые необходимо учитывать при разработке регуляторов и при их эксплуатации. Анализ структурных схем позволяет не только оценить, насколько характеристики реального регулятора отличаются от характеристик идеального, но и установить причины этих отклонений. Рассмотрим некоторые структурные схемы.

1. П-регуляторы. Типичная структурная схема пропорционального регулятора (рис.3.3, а) состоит из усилительного и интегрирующего звеньев, охваченных жесткой отрицательной обратной связью. Интегрирующим звеном является исполнительный механизм, который служит для преобразования выходного сигнала регулирующего блока в механическое перемещение.

Рис.3.3. Структурная схема и переходные характеристики реального линейного П-регулятора

где Т_ИM — постоянная времени исполнительного механизма. Обозначим Т_б = Т_ИM/δ_pk₁ тогда передаточная функция балластного звена:

Таким образом, реальный регулятор, для которого справедливы названные допущения, можно представить в виде последовательного соединения идеального П-регулятора с коэффициентом усиления k_p и балластного звена с передаточной функцией W₆(p).

Балластное звено в этом случае будет представлять собой апериодическое звено первого порядка с постоянной времени Т_б, величина которой растет с увеличением постоянной времени исполнительного механизма Т_им и коэффициента пропорциональности регулятора k_р.

Наличие балластного звена в П-регуляторе объясняется конечным значением коэффициента усиления k₁. Действительно, если k₁ → ∞, то Т_б → 0, a W_p(p) = k_p = W_П(p), т.е. рассматриваемый регулятор становится идеальным. На рис. 88, б приведены переходные характеристики П-регулятора с балластным звеном при различных значениях Т_б.

2. ПИ-регуляторы. Имеется несколько разновидностей схем ПИ-регуляторов. Наиболее часто используемая схема изображена на рис.3.4, а. Она представляет собой последовательное соединение усилительного и интегрирующего звеньев, причем первое охвачено отрицательной обратной связью с апериодическим звеном. По такой структурной схеме выполнены регуляторы электронной агрегатной унифицированной системы. Передаточная функция такого регулятора имеет следующий вид:

С учетом этих обозначений получим передаточную функцию балластного звена в виде:

В этом случае балластное звено представляет собой апериодическое звено с коэффициентом усиления k₆ и постоянной времени.

Рис.3.4. Структурная схема и переходные характеристики реального линейного ПИ-регулятора.

Переходные характеристики регулятора со структурной схемой, изображенной на рис. 3.4, а, приведены на рис.3.4, б.

Видно, что при s=0 регулятор становится идеальным. Чем больше значение s, тем сильнее отклонение характеристики реального регулятора от характеристики идеального.

3. ПИД-регуляторы. Эти регуляторы также могут быть построены по различным структурным схемам. Одна из типичных структурных схем изображена на рис.3.5, а. Она позволяет строить ПИД-регуляторы из унифицированных блоков. Для формирования, пропорционально-интегральной составляющей сигнала регулирования используется блок, схема которого показана на рис.3.5, а. Дифференцирующий блок 1 конструктивно может выполняться отдельно от других блоков.

Рис.3.5. Структурная схема и переходные характеристики реального линейного ПИД-регулятора

Передаточная функция регулятора с такой структурной схемой может быть записана в виде:

где ; s₂=T₂/T_И

В этом случае передаточная функция балластного звена имеет вид:

Источник