Понятие позиционного регулятора
Позиционный регулятор — самый широко распространенный тип регулятора. Причина популярности в его простоте при удовлетворительном качестве регулирования. Этот регулятор описывается зависимостью выходного сигнала управления от входного сигнала, представленной на диаграмме.
Типы позиционных регуляторов
Регулятор типа 1 применяется для управления объектами с исполнительным устройством типа «нагреватель»: наличие сигнала управления приводит к увеличению измеренного сигнала.
Регулятор типа 2 используется для управления объектами с исполнительным устройством типа «холодильник»: наличие сигнала управления приводит к уменьшению измеренного сигнала.
Принцип действия
Принцип действия регулятора типа 1 (типа 2 аналогично) заключается в том, что он полностью включает управляющее воздействие, если измеренный сигнал меньше заданного (уставки), и полностью выключает, если сигнал больше уставки.
Типичный временной график измеренного сигнала в объекте, который управляется позиционным регулятором, показан на рисунке.
Управление измеренного сигнала позиционным регулятором
Принципиально важны два обстоятельства:
- При управлении объектом с помощью позиционного регулятора всегда присутствуют колебания измеренного сигнала по причине инерционности отдельных элементов, входящих в контур управления.
- Величина этих колебаний и период не зависят от регулятора, а полностью определяются конструкцией и параметрами объекта управления, измерительного датчика и исполнительного устройства.
Примеры
Приведем примеры, иллюстрирующие принципы работы позиционного регулятора, а также особенности, которые следует учитывать для профессионального применения позиционных регуляторов.
По-прежнему для определенности будем иметь в виду задачу управления температурой в печи с применением электронагрева.
В качестве модели исполнительных устройств (ТЭН), объекта и датчика примем интегрирующие звенья первого порядка с экспоненциальными переходными характеристиками. Постоянные времени датчика tд и исполнительного устройства tи нормированы на величину постоянной времени объекта tо, которая считается везде фиксированной (tо/tо=1). Числовые значения для разных графиков приведены в таблице. Там же указаны стационарная точность регулирования (размах колебаний после выхода на уставку) DTст , динамическая погрешность измерения датчиком DTдин и период колебаний Tо/tо.
|
График № |
tд/tо |
tи/tо |
DTст |
DTдин (max) |
Tо/tо |
|
1 |
0,2 |
0,3 |
|
|
|
|
2 |
0,2 |
0,3 |
5,5% |
7% |
1,3 |
|
3 |
0,02 |
0,3 |
|
|
|
|
4 |
0,02 |
0,1 |
|
|
|
|
5 |
0,02 |
1,5 |
|
|
|
В первом случае (график №1) переходная характеристика системы в целом и все промежуточные сигналы будут иметь вид:
График 1.
Установившийся уровень соответствует 100 %. Это максимальный уровень, до которого может быть нагрет объект. Для того, чтобы изменить уровень максимального нагрева следует изменить мощность нагревателя и/или потери в окружающую среду, т.е. изменить качество теплоизоляции.
Результат работы позиционного регулятора при тех же параметрах и при значении уставки, равной 50, показан на графике 2.
График 2.
При данных значениях параметров, все особенности, присущие позиционному регулированию, хорошо видны:
1. В системе принципиально присутствуют колебания. Ни размах DT колебаний, ни их период Tо от самого регулятора не зависят. В нашем примере DT = 11 % , Tо = 1,3. Точность поддержания температуры можно повысить только конструктивным путем: изменяя инерционность датчика и исполнительного устройства в сравнении с инерционностью объекта.
2. Несмотря на то, что регулятор изменяет мощность в диапазоне 100%, состояние объекта меняется всего лишь с размахом 15%. Колебания мощности сглаживаются из-за инерционности исполнительного устройства и самого объекта.
3. Температура в объекте T и измеренная температура X отличаются между собой из-за инерционности датчика. С этим явлением связанна так называемая динамическая ошибка измерения DTдин: при достаточно быстрых изменениях температуры в объекте результаты измерения X будут отличаться от истинных значений T. В нашем случае максимальная ошибка составляет чуть больше 5%.
4. Измеренная температура X равна уставке W в моменты переключения исполнительного устройства. Но именно в эти моменты наблюдается наибольшее различие между измеренной температурой и истинной температурой в объекте. С другой стороны, истинная T и измеренные X температуры совпадает как раз в те моменты времени, когда отклонение от уставки максимально. Таким образом, практически всегда присутствует неопределенность в измерении истинной температуры вследствие принципиально колебательного характера процесса регулирования позиционным регулятором и динамической ошибки измерения инерционным датчиком.
Из рассмотренного примера сразу следует, что для повышения точности регулирования необходимо уменьшать инерционность датчика. График №3 построен для тех же параметров, что и №2, за исключением того, что инерционность датчика уменьшили в 10 раз (tд/tо =0,02).
График 3.
Главный полученный состоит в том, что удалось уменьшить динамическую ошибку измерения DTдин до величины 0,24%. Теперь с погрешностью 0,24% можно судить о температуре в объекте T по показаниям датчика X. На печати различие между температурой объекта и измеренной температурой просто не видно.
Уменьшение инерционности датчика привело одновременно и к повышению точности регулирования в стационарном режиме DTст до величины 2% (до этого она была равна 11%).
Посмотрим теперь, как меняется качество регулирования при различных параметрах исполнительного устройства. График №4 построен для исполнительного устройства с постоянной времени в 3 раза меньше (tи/tо = 0,1), чем до сих пор рассматривалось, а второй – в 5 раз больше (tи/tо = 1,5). Во втором случае, инерционность исполнительного устройства выше инерционности самого объекта.
График 4.
Видно, что значение параметра tи/tо сильно влияет на период колебаний Tо в ходе регулирования. Однако точность регулирования DTст практически не меняется. Это означает, что при данной модели системы основным параметром, определяющим точность регулирования, является отношение постоянной времени датчика к постоянной времени системы tд/tо. Приближенно точность регулирования DTст можно оценивать величиной этого параметра: DTст @ tд/tо
График 5.
До сих пор мы обсуждали точность регулирования DTст в стационарном установившемся режиме после выхода на уставку. Однако представляет интерес и динамическая точность регулирования, например, в тех случаях, когда происходит переход с одной уставки на другую. В сущности, переходная характеристика этот процесс как раз и описывает. Мы видим, что в нулевой момент времени изменилась уставка с 0 до 50, однако температура нарастает с некоторым отставанием при этом температура значительно отличается от уставки. Время выхода на режим определяется постоянной времени самого объекта tо и исполнительного устройства tи (при безынерционном датчике). Таким образом, если точность в стационарном режиме DTст определяет в основном соотношение постоянных времени датчика и объекта tд/tо и мало зависит от инерционности исполнительного устройства tи, то динамическая точность регулирования напрямую зависит от абсолютных значений постоянных времени объекта tо и исполнительного устройства tи.
Инерционность исполнительного устройства в общем случае ухудшает маневренность системы управления в целом. Поэтому, конечно, нужно стремиться к ее уменьшению. Об этом необходимо особенно беспокоиться в тех случаях, когда объект подвержен внешним возмущениям (воздействиям): исполнительное устройство должно успевать компенсировать влияние внешних возмущений.
Рекомендации
1. Позиционный регулятор можно применять и получать приемлемые результаты, если выполняется условие на величину отношения tд/tо < 0,05. Величина tд/tо приближенно определяет точность регулирования DTст в установившемся режиме.
2. Для повышении динамической точности регулирования следует уменьшать абсолютные значения постоянных времени объекта tо и исполнительного устройства tи, сохраняя при этом малой величину отношения tд/tо.
3. Сократить время выхода на режим можно, увеличивая на это время подводимую мощность, например, подключая дополнительные нагреватели или коммутируя нагреватели в трехфазной сети.
4. Повысить точность регулирования в установившемся режиме можно путем коммутации не 100% мощности, а только ее части. Для этого можно рекомендовать применять трехпозиционное регулирование, когда один компаратор в регуляторе обеспечивает фоновый подогрев до определенного уровня, а второй компаратор обеспечивает собственно регулирование, но уже относительно небольшой мощностью.
В условиях, когда результаты не стабильны и подвержены воздействию помех, а также в случаях, когда не допускается слишком частая коммутация нагревателей, в работе регулятора устанавливают некоторый гистерезис. Точность регулирования при этом, конечно же, понижается
Применение позиционного регулятора дает хорошие результаты, если:
- Инерционность датчика и исполнительного устройства значительно меньше инерционности объекта управления (защитные гильзы и чехлы на датчики температуры всегда ухудшают точность поддержания температуры);
- Транспортное запаздывание отсутствует (поддерживать температуру в баке с вязким продуктом будет легче, если конструкция обеспечивает перемешивание);
- Мощность управляющего воздействия соответствует объекту управления (не пытайтесь точно поддерживать температуру в стакане воды с помощью ТЭНа мощностью 2 кВт).
Для того, чтобы не было частых срабатываний и/или ложных срабатываний от воздействия помех («дребезг контактов»), в регулировочную характеристику позиционных регуляторов вводят зону возврата. Это соответствующим образом увеличивает колебания измеренного сигнала, но снижает износ оборудования (реле, пускателей, приводов и проч.).
В ассортименте НПФ КонтрАвт представлены различные варианты позиционных регуляторов.
Подобрать позиционный регулятор под свои задачи можно в нашем Каталоге.
