НАЛАДКА ПРИБОРОВ И СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

Позиционный закон регулирования

Система регулирования, у которой регулятор имеет характерис­тику релейного элемента (две позиции — «Открыто» и «Закрыто»), называется системой позиционного регулирования.

В качестве простейшей системы позиционного регулирования рас­смотрим упрощенную схему позиционного регулятора прямого действия, регулирующего температуру © в помещениях (рис. 47, б). Чув­ствительным элементом служит биметаллическая пластинка, которая при нагревании изгибается и размыкает контакт 2, выключая электро­подогреватель 3. По мере охлаждения помещения пластинка выпрям­ляется и снова замыкает контакт, включая подогреватель.

Ток I через подогреватель будет протекать периодически, поэтому и график температуры © тоже будет иметь вид периодических незату­хающих колебаний (рис. 47, а). При изменении величины тока /, про­текающего через подогреватель, т. е. коэффициента усиления регу­лятора, будут меняться амплитуда и период этих колебаний. Такой переходный процесс называется автоколебательным.

Регулятором называется совокупность регулирующего прибора и исполнительного механизма (см. рис. 6). Регулирующий прибор со­стоит из усилителя и корректирующих звеньев, с помощью которых регулятору придаются динамические характеристики, реализую­щие один из типовых законов регулирования. Составные части регу­лятора (усилитель, исполнительный механизм и корректирующие звенья) соединяются по трем основным схемам: корректирующие звенья включены в обратную связь, охватывающую исполнительный механизм и усилитель (рис. 48, а); корректирующие звенья включены в обратную связь, охватывающую усилитель (рис. 49, а); корректи­рующие звенья включены последовательно с усилителем и исполни­тельным механизмом.

Сконструировать регулятор — это значит, зная динамические ха­рактеристики исполнительного механизма, подобрать динамические характеристики корректирующих звеньев так. чтобы динамические характеристики регулятора воспроизводили требуемый закон регу­лирования (пропорциональный, интегральный или пропорционально' интегральный).

Динамические характеристики исполнительных механизмов могут быть аппроксимированы характеристиками интегрирующего звена и

пропорционального. К первым относятся исполнительные механизмы с электродвигателями, имеющими пропорциональную или постоянную скорость перемещения регулирующего органа (сервомотор). Ко вто­рым — пневматические клапаны, у которых перемещение регулирую­щего органа пропорционально регулирующему воздействию.

Рассмотрим некоторые принципы реализации П-, ПИ-, И-законов регулирования для трех схем включения корректирующих звеньев.

П-регулятор (корректирующее звено в обратной связи, охваты­вающей исполнительный механизм и усилитель). Исполнительный механизм имеет временную характеристику интегрирующего звена (см. рис. 48, а). Если интегрирующее звено охватить отрицательной обратной связью, то оно приобретет свойства инерционного звена с постоянной времени коэффициентом усиления Кр = 1/Ко. с, где есм — коэффициент пере­дачи исполнительного механизма (сервомотора); кус — коэффициент усиления усилителя в прямой цепи регулятора; Ко. с — коэффициент усиления обратной связи.

С увеличением кус уменьшается Гр. В регуляторах кус можно считать бесконечно большим (кус->- оо), поэтому постоянная времени 7« = 0, т. е. временная характеристика сервомотора, охваченного обратной связью (см. рис. 48, б), приобретает вид динамической ха­рактеристики безынерционного звена с коэффициентом усиления всей схемы: кс — 1/Ко. с - 1/Ко. с - Эту величину называют степенью обратной связи и обозначают б, а безынерционную обратную связь — жесткой обратной связью.

Конструктивно жесткую обратную связь выполняют в виде делите­ля (например, напряжения), который перемещается исполнительным механизмом или регулирующим органом.

ПИ-регулятор (корректирующее звено в обратной связи, охваты­вающей усилитель). Исполнительный механизм имеет временную ха­рактеристику интегрирующего звена (исполнительный механизм с пропорциональной скоростью перемещения регулирующего органа).

Для придания всей схеме динамических свойств ПИ-регулятора в качестве корректирующего звена используют инерционное с постоян­ной времени Т0 с и коэффициентом усиления Ко. с* Если к входу регу­лятора приложить ступенчатое возмущение, то благодаря большому коэффициенту усиления кус в начальный момент после подачи воздяу - щения на его выходе сигнал х (рис. 49, б) будет расти быстро, так как действие обратной связи еще незначительно из-за ее инерционности. С ростом величины (сигнала) уа. с на выходе обратной связи сигнал х на выходе усилителя будет уменьшаться до величины, равной 1/к0.с- Таким образом, разгонная характеристика на выходе усилителя имеет вид импульса, уменьшающегося до величины 1/к0.е-

Поскольку скорость перемещения регулирующего органа пропор­циональна входной величине (сигналу), то при подаче на его вход импульсного сигнала шток сервомотора будет перемещаться в началь­ный момент с максимальной скоростью, затем скорость роста будет уменьшаться; когда х станет постоянно?: величиной, равной 1 /к0.с, регулирующий орган будет перемещаться с постоянной скоростью.

Временная характеристика схемы имеет вид характеристики ПИ - регулятора. Сднако реальная характеристика (пунктирная линия) может быть несколько отличной от идеальной характеристики НИ-ре - гулятора.

Коэффициент усиления регулятора кр, реализованного по схеме (рис. 49), равен кр = єсм-Т0.с! к0.с, а время изодрома равно Тая = = Ко. с’Кр/есы> где Кр — коэффициент усиления регулятора; Тш — время изодрома; єсм — коэффициент пропорциональности исполни­тельного механизма; Т0.с — постоянная времени звена обратной свя­зи; Ко. с — коэффициент усиления обратной связи.

Рассмотрим некоторые особенности динамических свойств ПИ-ре­гулятора, реализованного по схеме, когда обратная связь охватывает усилитель. Время изодрома равно постоянной времени обратной свя­зи. Псдставим формулу кр в формулу для определения времени изодрома Таг:

"Vc Есм Т’о. с

Тяя=

Таким образом, при изменении кр будет меняться время изодрома, при изменении Тш — коэффициент усиления регулятора. Взаимосвязь настроек является основным недостатком регулято­ров рассматриваемого типа, так как это затрудняет их настройку. Поэтому в конструкции регуляторов вводят дополнительные устрой­ства, устраняющие взаимосвязь параметров настройки. Получить П-закон регулирования в регуляторах этого типа можно, если испол­нительный механизм охватить жесткой обратной связью.

Если установить к0.с = 0, то Гиз = 0, но при этом кр будет стремиться к бесконечности, т. е. регулятор будет работать как по­зиционный.

Изменяя одновременно и То. о и /с0.с, можно получить закон, близкий к И-регулированию Для этого эти параметры одновременно уменьшают так, чтобы отношение Т0.с//с0.с было постоянным (см. формулы для Гиз и Кр).

По схеме рис. 49, а реализуют ПИ-закон регулирования, если используется исполнительный механизм с постоянной скоростью пе­ремещения. Достигается это введением в регулятор релейного элемен­та, обеспечивающего пульсирующий режим работы исполнительного механизма. На рис. 50 приведена упрощенная схема такого регулято­ра. Входной сигнал преобразуется в напряжение Ult которое в схеме сравнения 2 сравнивается с сигналом отрицательной обратной связи U2- На выходе электронного усилителя установлено поляризованное реле ПР, которое в зависимости от знака рассогласования сигнала замыкает один из контактов ПР. Контакты реле включают магнитный пускатель МП и одновременно подают напряжение на звено обратной связи, представляющее собой инерционное звено (см. рис - 17, а).

На графике (рис. 51, а) рассмотрена работа схемы сравнения. По оси ординат откладывают напряжения Ux и U2. Если на вход регу­лятора подать ступенчатое возмущение, т. е. изменить Ux скачком, то реле ПР (см. рис. 50) срабатывает и подает напряжение на схему обратной связи. Напряжение J2 (выход инерционного звена) растет по экспоненте. И в момент, когда Ux становится равным напряжению U2 (по абсолютной величине) и разность их (Vx—U2) становится рав­ной напряжению отпускания реле ПР, последнее размыкает свои контакты и конденсатор СЗ начинает разряжаться через сопротивле­ния R9 и #14.

При разрядке конденсатора напряжение иг уменьшается по экс­поненте. И когда разница между U± и U2 увеличится до напряжения срабатывания, реле ПР снова замыкает контакты и цикл повторяется. При каждом замыкании реле включается магнитный пускатель МП. Временная диаграмма магнитного пускателя приведена на рис. 51, б. Первый импульс, как видно из рисунка, длиннее всех ос­тальных. Далее период чередования импульсов во времени остается постоянным. При каждом включении МП исполнительный механизм перемещает регулирующий орган с постоянной скоростью. Из графи­ка изменения выходной величины регулятора Хр (рис. 51, б) видно, что характеристика рассмотренного регулятора близка к характерис­тике ПИ-регулятора. Отработка пропорциональной части сигнала определяется длительностью первого импульса. Наклон интеграль­ной составляющей сигнала, а следовательно, и время изодрома TR3 зависят как от длительности импульсов, так и от пауз, т. е. как oY

Рис. 51. Принцип работы регулятора с обратной связью, не охватывающей сервомотор (с релейным элементом):

напряжения, снимаемого с реостата 14 (см. рис. 50), так и от вели­чины сопротивления R9. Величина пропорииональной составляющей сигнала изменяется в основном напряжением, снимаемым с реостата R14. - регулятор (с корректирующим звеном, включенным последова­тельно с усилителем и исполнительным механизмом). Исполнитель-] ный механизм перемещает регулирующий орган пропорционально Для реализации И-закона peryJ лирования при последовательном включении корректирующего звена неибходимо, чтобы корректирующее звено имело временные характерне^ тики интегрирующего звена (см. §20 — последовательное соединение интегрирующего звена с безынерци­онным).

Корректирующее звено (интегра­тор) состоит из элемента сравнения (сумматора 1) и инерционного зве­на, охваченного положительной об­ратной связью (рис. 52, а). Любое инерционное звено имеет внутреннюю отрицательную обрати ную связь с кус = 1, охватывающую интегрирующее звено. Поэтому если инерционное звено охватить положа тельной обратной связью с коэффи]

циентом усиления к0.с = 1, то внешняя положительная обратная связь полностью компенсирует действие внутренней отрицательно! обратной связи, а исключив действие внутренней обратной связи] мы получим временную характеристику интегрирующего звена.

Для получения точной характеристики интегрирующего звена коэффициент усиления положительной обратной связи Кп. O. J (рис. 52, б) должен быть строго равен коэффициенту усиления от­рицательной обратной связи /с0.0.с. Если же кп. о.с будет болыш к0.о. с, то разгонная характеристика корректирующего звена будет иметь вид кривой ///. Если «п. о.с <Ск0.0.с» то разгонная характерис­тика будет иметь вид кривой /. Для обеспечения этого требования Е конструкциях интегратора должны быть предусмотрены специальньі меры.