Регулятор - устройство, которое следит за работой объекта управления и вырабатывает для него управляющие(регулирующие) сигналы.

Регуляторы могут быть выполнены в виде отдельного устройства или в виде прикладного пакета в основной программе управляющего устройства.

Аппаратные регуляторы можно разделить:

1.по использованию для работы внешней энергии:

регуляторы прямого действия, не используют внешнюю энергию. Работают за счёт энергии развиваемой датчиком, просты по конструкции, не дороги, но имеют не высокую точность. Используют в простейших системах регулирования.

регуляторы не прямого действия, используют внешнюю энергию для своей работы-это основной вид регуляторов.

2.по виду используемой внешней энергии:

• электрические;
• пневматические;
• гидравлические;
• комбинированные.

 

3.по виду регулируемого параметра: регуляторы температуры, давления, уровня, расхода и т. д.

4.по закону регулирования, т.е. по изменению регулирующего воздействия во времени при изменении регулируемого параметра (по виду переходной характеристике регулятора). Эти регуляторы могут быть аппаратного типа(аналоговые) и дигитальные, в виде программного пакета.

Различают следующие виды регулирований:

• P (П) - означает «пропорциональный»
• I (И) – «интегральный»
• D (Д) – «дифференциальный»
• PI (ПИ) – «пропорциональный и интегральный»
• PD (ПД) – «пропорциональный и дифференциальный»
• PID(ПИД) – «пропорциональный, интегральный и дифференциальный»

 

Свойства и типы регуляторов

1. P-регулятор, пропорциональный регулятор.

Передаточная функция P-регулятора: Gp(s) = Kp. Pегулятор вырабатывает управляющее воздействие на объект пропорционально величине ошибки (чем больше ошибка e, тем больше управляющее воздействие Y= Kp*e).

 

2. I-регулятор, интегрирующий регулятор.

Передаточная функция I-регулятора: Gi(s) = 1/Ti*s. Управляющее воздействие пропорционально интегралу от ошибки е:

 

3. D-регулятор, дифференцирующий регулятор.
Передаточная функция D-регулятора: G_d(s) = T_d*s. D регулятор создаёт управляющее воздействие только при изменении регулируемой величины: Y= T_d* de/dt.

У P-регулятора, его называют также статическим, изменение положения РО пропорционально отклонению регулируемого параметра «е» от его заданного значения X₀.

Преимущества Р-регулятора – его быстродействие (небольшое время регулирования tp) и высокая устойчивость процесса регулирования.

Недостаток – наличие статической ошибки δ Х ,т.е. после окончания процесса регулирования(за время регулирования t_p ) параметр не возвращается точно к заданному значению, а отличается от заданного на δ Х,что снижает точность регулирования. С увеличением коэффициента усиления Кр, величина δ Х уменьшается, но АСР может потерять устойчивость. При Кр = Кр кр в системе возникают не затухающие колебания с постоянной амплитудой, а при ещё большем Кр, с возрастающей амплитудой. Рис. 93

1 – регулируемый процесс с P регулятором при K_p< K_p.кр
2 – Регулируемый процесс при K_p = K_р.кр

T_кр – период не затухающих колебаний при K_p = K_р.кр

t_р – время регулирования для устойчивого процесса

X₀ – начальное значение регулируемого параметра

δ Х – статическая ошибка

У I -регулятора, его называют также aстатическим, изменение положения РО пропорционально интегралу от отклонения «е» регулируемого параметра от его заданного значения X₀ . Регулирующий орган будет перемещаться до тех пор, пока параметр не достигнет точно заданного значения, т.е. у него нет статической ошибки δ Х=0. Это его достоинство, но недостатком является его плохая устойчивость, большое время регулирования. Его можно применять на инерционных объектах с самовыравниванием.

У D –регулятора, регулирующее воздействие пропорционально скорости отклонения параметра от задания т.е. производной от отклонения«е». На рисунке 94 при ступенчатом изменении U(t), возникает сигнал ошибки е, который будет уменьшаться в процессе регулированияt, до тех пор, пока параметр не достигнет нового значения U(t). t0 - начало отклонения параметра, t1- момент срабатывания регулятора без сигнала по производной, «Δ» - зона нечувствитвльности регулятора.

Скорость отклонения в начальный момент большая и поэтому сигнал по скорости будет большим, регулятор сразу начнёт действовать в момент t1 ,ещё до заметного «Δ» отклонения параметра и параметр будет быстрее установлен к заданию U(t).

 

Таким образом, этот регулятор имеет повышенное быстродействие – это его достоинство. Недостаток – не стабилен в работе, поэтом отдельно не используется. Но этот принцип используют для повышения качества регулирования PD и PID регуляторов.

Комбинируя простейшие P, I, D, регуляторы, получают PI, PD, PID регуляторы. На практике в основном применяют Р, PI, PID регуляторы

PI - регулятор, комбинация Р и I регуляторов. Имеет достоинства обоих. От Р – хорошая устойчивость, от I – отсутствие статической ошибки δ Х=0.

PD - регулятор, комбинация Р и Dрегуляторов. Имеет достоинства обоих. От Р – хорошая устойчивостьи, от D – повышенное быстродействие, но сохраняется статическая ошибка δ Х, как у Р регулятора.

PID - регулятор, комбинация Р, I и Dрегуляторов. Имеет достоинства троих. От Р – хорошая устойчивостьи, от I – отсутствие статической ошибки δ Х=0, от D – повышенное быстродействие.

PID - регулятор по своим возможностям наиболее универсален. В настоящее время в основном применяются электронные и цифровые PID –регуляторы, на основе которого можно осуществлять различные законы регулирования.

Структурная схема PID регулятора

На Рис.95 показана структурная схема PID регулятора

 

Рис.95 Структурная схема PID регулятора

K_p – коэффициент усиления регулятора

T_i – постоянная интегрирования

T_d – постоянная дифференцирования

Это настроечные параметры регуляторов

Переходные характеристики регуляторов показаны на Рис.96. Для P, I и D регуляторов они аналогичны характеристикам соответствующих типовых звеньев. Для остальных регуляторов, характеристики получают сложением характеристик P, I, и D регуляторов.

Переходные характеристики показывают как изменяется регулирующее воздействие регулятора Y во времени при отклонении регулируемого параметра X от задания т.е. при появлении сигнала ошибки «е».

При отклонении, уменьшении температуры в объекте (X), у Р регулятора, регулирующий клапан приоткроется (Y) пропорционально отклонению температуры и остановится. Подача тепла увеличится и температура, быстро восстановится, но не точно, возникнет статическая ошибка δ Х.

У PID регулятора, за счёт Р и D составляющих, клапан сначала сильно откроется, обеспечивая быструю подачу тепла, но затем, чтобы не возникло перегрева, начнёт прикрываться, обеспечивая подачу нужного тепла в объект. Затем вступает в действие I составляющая, которая приоткрывает клапан до тех пор, пока не будет устранена статическая ошибка δ Х. Таким образом D составляющая увеличивает быстродействие регулятора, а I составляющая убирает статическую ошибку δ Х.

Электрические схемы регуляторов

На Рис. 97 показаны возможные варианты реализации регуляторов на операционных усилителях. Р регулятор реализован на DA1.

Коэффициент усиления Р составляющей Кр = Rp/ R1.  В схеме ,PID  регулятора на  DA1 выполнен повторитель Р составляющей т.к. К = R/R=1, а функции усилителя выполняет DA4, которая  одновременно является  сравнивающим устройством, которoe сравнивает сигнал от задатчика +U с сигналом от датчика -Ux.  Их разность е=U- Ux подаётся на вход DA. Знак е зависит от направления изменения параметра. Настроечные параметры для I части Тi = RiСi,  и для D части Td=RdCd. На DA5  Выполнен сумматор, который суммирует все составляющие и на выходе получаем сигнал, изменяющийся по PID   закону.

 

P регулятор

 

I регулятор

 

D регулятор

 

PID регулятор

Рис. 97  Электрические схемы P, I, D, и  PID регуляторов

Закон регулирования электронного  PID регулятора: 

Виды процессов регулирования

На Рис.98 и 99    показаны виды процессов регулирования (изменение регулируемого параметра « Х» во времени) при ступенчатом изменении задающего воздействия U(t) (команды ). Вид процесса, колебательный или нет, зависит от величины настроечных параметров  Кp,      Тi,    Тd.

 

1 – без регулятора

2 – I  регулятор

3 – P регулятор

4 – PI регулятор

5 – PD регулятор

6 – PID регулятор

X_{0 -} начальное значение регулируемого параметра

δX – статическая ошибка